23.08.2018

Wärmetransport auf der Nanoskala

Wärme verteilt sich in einem Modell­system hundert­mal lang­samer als erwartet.

Metalle leiten Wärme üblicherweise hervorragend: Durch die frei beweg­lichen Elek­tronen ver­teilt sich lokale Hitze blitz­schnell. Deut­lich lang­samer leiten iso­lie­rende Materi­alien Wärme, die nicht über freie Elek­tronen ver­fügen, sondern allein auf Gitter­schwin­gungen ange­wiesen sind. Jetzt hat ein Team um Matias Barg­heer von der Uni Pots­dam und dem Helm­holtz-Zentrum Berlin für Materi­alien und Energie den Wärme­trans­port in einem metal­lisch-magne­tischen Modell­system genau unter die Lupe genommen.

Abb.: Mit zeitaufge­lösten Röntgen­diffrak­tions­experi­menten lässt sich analy­sieren, wie sich die Wärme ver­teilt. (Bild: HZB / U. Potsdam)

Das Modellsystem besteht aus einer nanometer­dünnen ferro­magne­tischen Nickel­schicht, die auf einem Magne­sium­oxid-Substrat auf­ge­bracht wurde. Darüber wurde eine noch dünnere Schicht Gold abge­schieden. Mit einem ultra­kurzen Laser­puls brachten die Forscher lokal Wärme in das Modell­system und ermit­telten mit extrem kurzen Röntgen­pulsen zeit­auf­ge­löst, wie sich die Wärme in den beiden Nano­schichten ver­teilte. Der erste Befund: Bis zum ther­mischen Gleich­ge­wicht braucht das Modell­system nicht wie erwartet etwa eine Piko­sekunde, sondern hundert­mal so lange.

Die zeitaufgelösten Messungen zeigen, was genau geschieht. „Obwohl der Laser zunächst die Gold­schicht trifft, bleibt das Kristall­gitter des Goldes kühl. Fast neunzig Prozent der Energie wird an die Nickel-Elek­tronen weiter­ge­leitet und dort ins Kristall­gitter ein­ge­bracht“, berichtet Barg­heer. Weil das Elek­tronen­system im Nickel sehr viel stärker an die Gitter­schwin­gungen koppelt als im Gold, nimmt das Nickel-Kristall­gitter die Wärme von den Nickel-Elek­tronen auf. Das Nickel-Gitter ist jedoch ein schlechter Wärme­leiter und gibt kaum Energie an das Gold-Gitter ab. Dies gelingt nur über einen Umweg: Denn mit der Zeit nehmen Elek­tronen aus dem Gold Wärme­energie aus dem Nickel­kristall­gitter auf und regen damit wiederum Gold-Gitter­schwin­gungen an, bis das ther­mische Gleich­gewicht erreicht ist.

„Wir haben mit diesem Versuchsaufbau zeigen können, dass es sich lohnt, solche Trans­port­pro­zesse zeit­auf­gelöst zu analy­sieren. Des­halb freuen wir uns sehr, dass wir solche Ver­suche bald auch an der sehr viel mächti­geren Röntgen­quelle BESSY II machen können, die dem­nächst zu BESSY-VSR aus­ge­baut wird und dann zeit­gleich auch sehr kurze, inten­sive Röntgen­pulse anbietet“, sagt Barg­heer.

Künftige Datenspeicher, die auf wärmegestützten magne­tischen Speichern basieren, können mit Laser­pulsen lokal erhitzt und über­schrieben werden. Mit einem ver­tieften Ver­ständnis der Trans­port­vor­gänge könnten solche Systeme so ent­wickelt werden, dass sie mit mini­maler Energie aus­kommen.

HZB / RK

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