Die Temperatur eines winzigen Nanopartikels lässt sich nicht durch das Anlegen eines Thermometers oder einer Wärmesonde zuverlässig messen. Wissenschaftler setzen daher oft die Temperatur der direkten Umgebung mit der ihres Forschungobjektes gleich. Doch je kleiner und kälter die Partikel werden, desto unsicherer werden diese Angaben und eine Kerngröße aller Experimente verliert ihren Wert. Deutsche und britische Forscher bestimmten nun in einem statistischen, quantenmechanischen Modell, wo tatsächlich die Grenzen sicherer Gradangaben liegen können. Diese wichtigen Hinweise für jeden Nanoforsher veröffentlichten vorab in einer Datenbank für Quantenphysik.
Quanteneffekte wie die Schwingungen der einzelnen Atome im Kristallgitter des Teilchens bestimmen die jeweils lokale Temperatur. Doch diese Vibrationen und damit die Temperatur müssen nicht überall in einem fein-strukturierten Partikel gleich sein. Während solche Effekte bei greifbaren, größeren Objekten keine Rolle spielen, können sie für Silizium schon bei Größen um ein Zehntel Millimeter eine gesicherte Temperaturmessung ad aburdum führen. Dies gilt jedoch erst bei Tiefstwerten um den absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius. Steigt Bei Temperaturen von minus 200 Grad oder höher darf ein Teilchen aus Eisen 100 Millionstel Millimeter (Nanometer) und ein Kohlenstoffpartikel 75 Nanometer klein sein.
Grundlage dieser Abschätzung von Michael Hartmann von der Universität Stuttgart und seinen Kollegen ist eine einfache, eindimensionale Kette aus Atomen. In diesem Vielteilchensystem berechneten sie, wie die Schwingungen der Atome und damit deren Temperatur voneinander abhängen und lokal variieren können. Erst, wenn alle Atome gleichermaßen in einem Gleichgewicht schwingen können, kann von der gleichen Temperatur über den ganzen Körper ausgegangen werden. Doch jenseits der ermittelten Größen- und Kältegrenzen geht diese Gleichmäßigkeit verloren. Zwar basieren diese Werte nur auf einem recht groben Modell, aber sollten sie Nanoforscher vor einer allzu schnellen Angabe von Temperaturwerten warnen. Hartmann und Kollegen hoffen nun, ihre quantenmechanisch statistischen Abschätzungen mit verfeinerten Messtechnik bald im Experiment überprüfen zu können.
Jan Oliver Löfken
Das glaube ich nicht
