Wärme unter Kontrolle - wissenschaft.de
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Wärme unter Kontrolle

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Im Wärmetransistor der Forscher lässt sich der Wärmefluss mithilfe einer Spannung kontrollieren. Bild: The American Physical Society
Forscher aus Finnland und Italien haben ein Verfahren entwickelt, mit dem der Fluss von Wärme zwischen zwei Kontakten mithilfe einer angelegten Spannung gesteuert werden kann. Das neue Gerät gleicht daher einem elektronischen Transistor, steuert allerdings nicht nur den Transport von elektrischen Ladungen, sondern auch den damit verbundenen Wärmefluss. Die in der Pilotstudie erzielte Kontrolle über den Wärmefluss ist allerdings für praktische Anwendungen zu gering, so dass das Verfahren wohl zunächst nur in der Grundlagenforschung im Bereich der Nanotechnologie Anwendung finden wird.

Herzstück des von Jukka Pekola von der Technischen Universität von Helsinki und seinen Kollegen aus Pisa entwickelten Wärmetransistors sind zwei Elektroden, die auf einer Halbleiterplatte in einem Abstand von nur einem winzigen Bruchteil eines Millimeters angeordnet sind. Eine der beiden Elektroden besteht aus Metall („N“ in der Abbildung), die andere aus einem Supraleiter („S“).

Die Physiker kühlten diese Anordnung ab, so dass die supraleitende Elektrode jeglichen elektrischen Widerstand verlor. Als sie dann eine Spannung an die Elektroden anlegten, konnten Elektronen von der Metallelektrode zu der supraleitenden Elektrode übergehen. Dieser in der Quantenmechanik als Tunneleffekt bezeichnete Vorgang stellt eines der Herzstücke der Nanoelektronik dar.

Da sich die tunnelnden Elektronen aufgrund ihrer elektrischen Ladungen gegenseitig abstießen, konnten sie nur in einer Art Gänsemarsch eines nach dem anderen auf den Supraleiter übergehen. Schon in einer früheren Studie hatte Pekola herausgefunden, dass dabei zunächst die energiereichsten und somit heißesten Elektronen den Metallkontakt verließen ? dieser kühlte sich demnach bei Anlegen der Spannung ab.

In ihrer neuen Studie fanden die Forscher nun heraus, dass sich die Geschwindigkeit des Abkühlungsvorgangs durch eine mithilfe einer dritten Elektrode (unten im Bild) angelegten Steuerspannung kontrollieren ließ. Ihre Erfindung gleicht somit einem elektronischen Transistor, dem Herzstück jedes Computerchips: Auch darin wird der Stromfluss zwischen zwei Kontakten mithilfe einer Steuerspannung kontrolliert.

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Die somit erzielte Kontrolle über die Kinetik des Abkühlungsvorgangs war allerdings relativ gering. Die Forscher wollen daher derzeit noch nicht über etwaige Anwendungsmöglichkeiten in der Nanotechnologie spekulieren.

Physical Review Letters, Band 99, Artikel 027203 Stefan Maier
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