Wärmebilder auf der Nanoskala

Forscher um Eli Zeldov vom Weizmann Institute in Israel haben ein Verfahren entwickelt, mit dem man die Wärme, die in strom­durch­flossenen Nano­struk­turen entsteht, mit sehr großer Empfind­lich­keit und hoher Orts­auf­lösung sicht­bar machen kann. Damit lässt sich erkennen, wo die Elek­tronen­energie in Gitter­schwin­gungen und damit in Wärme umge­wandelt wird. Der neue Tempe­ratur­sensor besteht aus einem supra­leitenden Bau­element, einem Super­con­ducting Quantum Inter­ference Device, kurz SQUID, das auf der scharfen Spitze einer gezo­genen Glas­pipette sitzt. Das SQUID hat einen Durch­messer von 46 Nano­metern und enthält Josephson-Kontakte, bestehend aus zwei Blei­schichten, die durch einen winzigen Zwischen­raum vonein­ander getrennt sind.

Abb.: Wärmebild einer stromdurchflossenen Kohlen­stoff­nano­röhre. Die konzen­trischen Kreise gehen auf Reso­nanzen von quanten­punkt­artigen Stör­stellen zurück. (Bild: D. Halber­tal et al. / NPG)

Für Temperaturen unterhalb von 7,2 Kelvin, wenn das Blei supra­leitend geworden ist, kann man mit dem SQUID nicht nur Magnet­felder sehr empfind­lich messen sondern auch Tempe­ra­turen. Dabei nutzt man aus, dass die kritische Strom­stärke, bei der das tief­ge­kühlte Blei seine Supra­leit­fähig­keit verliert, empfind­lich von der Tempe­ratur abhängt.

Indem die Forscher das SQUID in einem Abstand von 35 bis 150 Nano­metern über eine Ober­fläche aus Silizium­oxid führten, die auf eine Tempe­ratur von 4,2 bis 7,2 Kelvin gekühlt und mit Helium begast wurde, konnten sie eine Tempe­ratur­karte dieser Ober­fläche auf­nehmen. Anhand des Helium­gas­drucks von einigen Milli­bar ließ sich regu­lieren, wie gut die Wärme von der Ober­fläche zum SQUID trans­por­tiert wurde. Befand sich auf der Ober­fläche eine strom­durch­flossene Nano­struktur, so zeigte die aufge­nommene Tempe­ratur­karte, wo in dieser Struktur die Wärme erzeugt wurde.

So waren auf dem Wärmebild einer Kohlenstoffnanoröhre, durch die ein elek­trischer Strom von einigen Nano­ampere floss, mehrere von konzen­trischen Kreisen umge­bene Stellen zu erkennen, die deut­lich wärmer waren als ihre Umge­bung. Die Forscher führen dies auf Stör­stellen in der Nano­röhre zurück, die sich wie Quanten­punkte ver­halten. In ihnen wird die Energie der Leitungs­elek­tronen bevor­zugt in Wärme umge­wandelt, wobei je nach der Posi­tion des SQUID unter­schied­liche Reso­nanzen auf­treten können. Bei einer anderen Röhre, die eine Schlaufe bildete, blieb diese im Wärme­bild dunkel: Offen­bar floss in der Schlaufe kein Strom, weil dort, wo sich die Röhre selbst berührte, ein Kurz­schluss auftrat.

Ein anderes Beispiel ist das Wärmebild einer mehrere Mikro­meter großen Struktur aus Graphen. Sie hatte die Form einer Kreis­scheibe mit konzen­trischem Loch und besaß am Rand Anschlüsse für den elek­trischen Strom. Diesmal traten die heißen Stellen, an denen Dissi­pation statt­fand, an den Rändern der Graphen­schicht auf. Jede dieser neben­ein­ander liegenden Wärme­quellen war von einem einzelnen Ring erhöhter Tempe­ratur umgeben, sodass das Ganze wie eine Perlen­kette aussah. Für die heißen Stellen machen die Forscher Reso­nanz­zustände verant­wort­lich, die am Rand der Graphen­schicht lokali­siert waren. Da hier nur einzelne Reso­nanzen auf­traten, zeigte das Wärme­bild auch nur einzelne Ringe.

Wie schneidet der neue Temperaturfühler, den die Forscher Thermo­meter SQUID-on-Tip, kurz tSOT, nennen, im Vergleich mit gängigen ther­mischen Abbil­dungs­ver­fahren ab? In Hinblick auf räum­liche Auf­lösung sind ihm zwar Scanning Near­field Optical Micro­scope und mit Thermo­element ausge­rüstete Raster­kraft­mikro­skope über­legen. Doch was die Empfind­lich­keit anbe­langt, ist tSOT einsame Spitze, da es hier alle anderen Ver­fahren um mindes­tens vier Größen­ord­nungen über­trifft. Es könnte problem­los eine Wärme­leistung von vierzig Femto­watt regis­trieren, die nach Landauers Formel ent­steht, wenn ein Qubit bei 4,2 Kelvin mit einer Frequenz von einem Giga­hertz über­schrieben wird. Die in der Halb­leiter­elek­tronik bei logischen Opera­tionen frei­werdende Wärme ist Millionen­mal größer.

Der Temperaturbereich zwischen 4,2 und 7,2 Kelvin, in dem tSOT bisher betrieben werden kann, ließe sich nach oben und nach unten aus­dehnen, indem man für das SQUID einen Supra­leiter mit höherer Sprung­tempe­ratur verwendet bezie­hungs­weise für den Wärme­trans­port Helium-3 statt Helium-4 benutzt. Bertrand Halperin von der Harvard Univer­sity, der nicht an der Ent­wicklung von tSOT betei­ligt war, meinte, dass die neue Technik auf­regende Möglich­keiten eröffnet, dissi­pative Prozesse zu beob­achten und zu ver­stehen, die von Nano­defekten in zahl­reichen Geräten verur­sacht werden.

Rainer Scharf

RK