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Phononik: "Thermokristalle" lenken Wärme

Photonischer KristallLaden...

Wärme in beliebige Richtungen lenken und leiten wie Licht – das will ein US-Wissenschaftler mit Hilfe von nanostrukturierten Spezialmaterialien erreichen. Martin Maldovan vom Massachusetts Institute of Technology stützt sich dabei auf die Eigenschaften so genannter phononischer Kristalle. Diese machen dank ihrer speziellen Struktur Schall in Form von Phononen – Quasiteilchen analog zu den Photonen des Lichts – kontrollierbar. Der Materialwissenschaftler beschreibt Halbleiterlegierungen, in denen Wärme ebenfalls als Phononen geeigneter Wellenlänge vorliegt, die durch die Nanostrukturen in dem Material kontrolliert werden können. Damit sind prinzipiell Bauteile wie Wärmedioden möglich.

Schall verbreitet sich in Feststoffen in Form von Molekülschwingungen, die man als Strom von Phononen beschreiben kann. In phononischen Kristallen erzeugen Leerräume im Material Bandlücken: In derart strukturierten Bereichen können sich Phononen bestimmter Frequenzen nicht fortbewegen. Auch Wärme erzeugt Molekülschwingungen analog zum Schall; deren Frequenz jedoch ist milliardenfach höher als die Frequenz des Schalls, so dass die zu ihrer Manipulation nötigen Strukturen unrealistisch klein werden. Um dieses Problem zu umgehen, erzeugte Maldovan eine Legierung aus Silizium, in das Nanokristalle aus Germanium eingeschlossen sind. Dieses Material reduziert die Frequenz der Wärmephononen in den Gigahertzbereich, an der Grenze zu normalen Schallwellen.

Zusätzlich erzeugte er aus dem Material dünne Schichten, so dass etwa 40 Prozent der gesamten Wärme als Phononen in einem engen Frequenzbereich vorliegen, die – anders als Wärme es normalerweise tut – in einem engen Strahl gebündelt fließt. Dieser Phononenstrahl kann nun mit den bereits bekannten phononischen Kristallen gesteuert werden. Mit Hilfe solcher von Maldovan "Thermokristalle" getaufter Strukturen könnte man zum Beispiel Wärme in eine spezifische Richtung lenken oder gar bündeln. Außerdem seien thermische Dioden möglich, die Wärme nur in einer Richtung passieren lassen, erklärt der Forscher.

3. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 3. KW 2013

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  • Quellen
Physical Reviews Letters 110, 025902, 2013

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