Phononen entstehen durch langsame Bewegungen und Elektronenschwingungen durch schnelle Bewegungen.

 

Aus Pro-Physik.de:

 

Der Kristall schlägt zurück

 

Der Kavalierstart von Elektronen in einem Kristall bleibt nicht ohne Folgen für ihr weiteres Schicksal. Das berichten die Berliner Forscher Peter Gaal, Wilhelm Kühn, Klaus Reimann, Michael Woerner, und Thomas Elsässer vom Max-Born-Institut sowie Rudolf Hey vom Paul-Drude-Institut in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Nature (Bd. 450, Seite 1210). Sie untersuchten die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in einem Galliumarsenidkristall, der für kurze Zeit einem sehr hohen elektrischen Feld ausgesetzt wurde. Dieses auch konzeptionell neue Experiment zeigt erstmals eine kollektive, ultrahochfrequente Zitterbewegung der Elektronen, die zusätzlich zur bekannten räumlichen Drift dieser Teilchen auftritt. Der neu entdeckte Effekt könnte bei der Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen eine wichtige Rolle spielen.

 

Galliumarsenid (GaAs) ist eines der wichtigsten Materialien für die Halbleiter-Optoelektronik. Ein GaAs-Kristall besteht aus einem regelmäßigen Gitter von Gallium- und Arsen-Atomen, wobei die Galliumatome leicht positiv und die Arsenatome leicht negativ geladen sind. Wenn sich ein Elektron langsam durch den Kristall bewegt, führt dies zu einer Verzerrung des Kristallgitters in seiner Umgebung. Die negative elektrische Ladung des Elektrons stößt negativ geladene Atome ab und zieht positiv geladene an. Hierdurch werden die Atome in Schwingungen um ihre Ruhelage versetzt: Gitterschwingungen, so genannte Phononen, entstehen. "Das kann man sich vorstellen wie bei einem schweren Ball, der über eine Matratze rollt", erläutert Michael Woerner. "Die Metallfedern der Matratze werden zusammengedrückt und entspannen sich wieder." Durch die Erzeugung von Gitterschwingungen verliert das Elektron Energie und wird in seiner Bewegung gebremst. Diese Abbremsung ist nichts anderes als der elektrische Widerstand eines Materials. Dabei driften die Elektronen mit konstanter Geschwindigkeit durchs Gitter. Dieses physikalische Bild ist die Grundlage des seit etwa hundert Jahren bekannten Ohm'schen Gesetzes für den elektrischen Widerstand.

 

 

 

 

Abb: Das Bild zeigt eine Berechnung der dynamischen Potentialfläche, die das Elektron in seiner „Heckwelle“ erzeugt. Darunter ist schematisch dargestellt die Gitterverzerrung im Kristall zu sehen. (Quelle: MBI)

 

Eine gänzlich neue Situation tritt auf, wenn die Elektronen einen Kavalierstart hinlegen, das heißt wenn sie - durch ein extrem hohes elektrisches Feld - schneller als die Reaktionszeit der Atome in ihrer Umgebung beschleunigt werden. Die Berliner Forscher verwenden zur Beschleunigung ein elektrisches Feld von 2 Millionen Volt pro Meter, das sie für eine extrem kurze Dauer von 0,3 Pikosekunden (1 Pikosekunde ist ein Millionstel einer Millionstel Sekunde) an den Kristall anlegen. Die hierdurch hervorgerufene Bewegung der Elektronen bilden sie mit ultrakurzen Lichtimpulsen im infraroten Spektralbereich ab. Im Gegensatz zur Driftbewegung mit konstanter Geschwindigkeit, die man bei kleinen elektrischen Feldern findet, wechselt überraschenderweise die Geschwindigkeit der beschleunigten Elektronen periodisch zwischen hohen und niedrigen Werten, das Elektron führt eine Art Zitterbewegung aus. Theoretische Berechnungen haben dieses experimentell gefundene Verhalten quantitativ bestätigt.

 

Der Leiter der Forschergruppe, MBI-Direktor Prof. Thomas Elsässer, sagt: "Die Tatsache, dass schnell beschleunigte Elektronen einerseits Schwingungen der Atome anregen und andererseits von den schwingenden Atomen abwechselnd gebremst und beschleunigt werden, ist von großer Bedeutung für den Ladungstransport in Nanostrukturen." Dort könnten aufgrund der geringen Abmessungen ähnlich starke elektrische Felder auftreten. Elsässer fügt hinzu: "Unsere Ergebnisse bilden deshalb auch eine Grundlage für die Optimierung der Transporteigenschaften von Halbleiter-Nanobauelementen."

 

Quelle: Pressestelle des Forschungsverbundes Berlin e.V.

 

Weitere Infos: 

 

P. Gaal et al. "Internal motions of a quasiparticle governing its ultrafast nonlinear response" in Nature, Bd. S. 450, S. 1210-1213

 

Film 1: Dieser Film zeigt, wie sich ein Elektron langsam durch ein Kristallgitter bewegt.

http://www.fv-berlin.de/pm_archiv/2007/fotos/MBI_Bild1.mpg

 

Film 2: Dieser Film zeigt, was passiert, wenn das Elektron einen Kavaliersstart hinlegt: Das Kristallgitter wird durch die ultraschnelle Bewegung stärker verzerrt und es kommt zu einer Zitterbewegung.

http://www.fv-berlin.de/pm_archiv/2007/fotos/MBI_Bild2.mpg

Hochangeregte Atome schließen sich in einem Bose-Einstein-Kondensat zu einem Superatom zusammen

 

 

Superatome für Quantencomputer

 

Vorabinformation:

 

Wenn Atome so durch Strahlung angeregt werden, dass das Valenzelektron auf weit außen liegenden "Bahnen" ist, vergrößert sich das gesamte Atom. Solche Atome heißen Rydberg-Atome.

 

Diese hochangeregten Atome sind sehr empfindlich gegen Stöße. Bei einem Stoß gibt das Elektron seine Energie wieder ab, springt auf ein inneres Energieniveau udn das Atom verkleinert sich wieder.... Deswegen können Rydberg-Atome nur in einem extrem guten Vakuum existieren. Im interstellaren Raum gibt es Wasserstoffatome, bei denen sich das Elektron auf der 280ten "Bahn" befindet.

 

Im unten beschriebenen Experiment wurden Rubidium 87 Atome angeregt (auf den 43 S - Zustand, also auf n = 43!

 

Rubidium-Atome können einen ganzzahligen Gesamtspin haben, d.h. sie sind Bosonen (wie die Photonen). Für Bosonen gilt das Pauli-Prinzip nicht, d.h. sie können ohne Unterscheidung in einem Energiezustand sein. Deshalb können diese Atome bei starker Abkühlung sich so nahe kommen, dass sich ihre Wellenfunktionen überlappen und sie einen gemeinsamen Zustand bilden, ein Bose- Einstein-Kondensat. Das wiederrum ist so groß, dass man das Leuchten sehen kann. Nimmt man hochangeregte Rubidiumatome, so entsteht das Bose-Einstein-Kondensat  schon bei größerem Abstand.

 

Informationen zum Bose-Einstein-Kondensat: Hier klicken! 

 

                                                         oder  hier klicken!

 

Pressemeldung aus prophysik.de:

 

 

Stuttgarter Physiker untersuchten hochangeregte Rydberg-Atome in Bose-Einstein-Kondensaten und stellten fest, dass sie sich zu einem so genannten „Superatom“ zusammentun.

 

So genannte Rydberg-Atome, benannt nach dem Schwedischen Physiker Johannes Rydberg, sind mehrere tausend Mal größer als normale Atome. Physiker der Arbeitsgruppe von Tilman Pfau vom 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart berichten nun über die Untersuchung von hochangeregten Rydberg-Atomen in einem Bose-Einstein-Kondensat. Daraus ergeben sich neue Ansätze zur Untersuchung quantenphysikalischer Phänomene. Die Stuttgarter Physiker stellten fest, dass sich Rydberg-Atome durch starke gegenseitige Wechselwirkungen zu einem so genannten „Superatom“ zusammentun. 

 

Ein solches Superatom umfasst bis zu 10.000 Atome, welche gemeinsam eine einzige Rydberg-Anregung teilen. In einem weiteren Experiment zeigten die Wissenschaftler, dass trotz der starken Wechselwirkungen die Anregung kohärent erfolgt, was für die Anwendung in Quanten-Computerkonzepten unverzichtbar ist. Über die Ergebnisse berichteten die Stuttgarter Forscher in der Fachzeitschrift Physical Review Letters. Die Publikation ist in diesem Jahr bereits die dritte Veröffentlichung der Gruppe in Folge zum Thema kohärente Rydberg-Anregung ultrakalter Atome.

 

Abb.: Gefangene Rubidium-Atome (leuchtend rot in der Bildmitte) werden durch einen blauen Laserstrahl in den Rydberg-Zustand angeregt. (Quelle: Universität Stuttgart)(siehe oben, zum Vergrößern anklicken)

 

Das locker gebundene Elektron von Rydberg-Atomen reagiert besonders empfindlich auf elektrische Felder und andere Rydberg-Atome in der Nähe. So können sich Rydberg-Atome über Distanzen von etwa fünf Mikrometern hinweg „fühlen“. Das entspricht dem 50-fachen ihrer eigenen Größe und ist halb so groß wie ein rotes Blutkörperchen. Für Atome sind das gigantische Entfernungen. Außerdem kann in dem gut geschützten Kernspin von Rydberg-Atomen Quanten-Information gespeichert werden, weswegen die „Superatome“ auch als mögliche Systeme gehandelt werden, um einen Quanten-Computer zu realisieren. Mit Rydberg-Atomen in einem Bose-Einstein-Kondensat hat man darüber hinaus ein Modell-System zur Verfügung, um Fragen der Vielteilchen-Physik, neuartige Moleküle sowie Störstellen in einem Quantengas zu untersuchen. Es wird erwartet, dass sich solche Störstellen völlig reibungsfrei in dem Gas bewegen können. 

 

Quelle: Universität Stuttgart

 

Weitere Infos:

 

Originalveröffentlichung:

Rolf Heidemann, Ulrich Raitzsch, Vera Bendkowsky, Björn Butscher, Robert Löw, Tilman Pfau, Rydberg excitation of Bose-Einstein condensates, Physical Review Letters in press (2007).

http://xxx.arxiv.org/abs/0710.5622

5. Physikalisches Institut, Uni Stuttgart:

http://www.pi5.uni-stuttgart.de

Weitere Literatur:

Ulrich Raitzsch, Vera Bendkowsky, Rolf Heidemann, Björn Butscher, Robert Löw, Tilman Pfau, An echo experiment in a strongly interacting Rydberg gas, Physical Review Letters in press (2007).

http://xxx.arxiv.org/abs/0706.2639

Rolf Heidemann, Ulrich Raitzsch, Vera Bendkowsky, Björn Butscher, Robert Löw, Luis Santos, Tilman Pfau, Evidence for coherent collective Rydberg excitation in the strong blockade regime, Physical Review Letters. 99, 163601 (2007).

Wie kann sich der massereiche Vorgängerstern in einem engen Doppelsternsystem halten? Die Entdeckung eines schweren Schwarzen Loches in der Galaxie M33 wirft viele Fragen auf.

 

 

Aus Pro-Physik:

Schwergewichtiges Duo

Schwergewichtiges Duo

 

In einer Nachbargalaxie der Milchstraße haben Astronomen das bisher schwerste bekannte stellare Schwarze Loch entdeckt. Das Objekt mit der Bezeichnung M 33 X-7 besitzt knapp die 16-fache Masse unserer Sonne und ist Teil eines Doppelsternsystems. Forscher des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik waren maßgeblich daran beteiligt, das Schwarze Loch zu „wiegen“.

 

Schwarze Löcher künden vom Tod eines massereichen Sterns. Hat ein solcher Gasball an seinem Lebensende den Brennstoffvorrat aufgebraucht, kann er keine Energie mehr erzeugen. Der Kern des Sterns kollabiert unter dem eigenen Gewicht innerhalb von Sekunden und heizt sich dabei auf. Während das Innere weiter in sich zusammenstürzt, entsteht eine Stoßwelle, die von innen nach außen läuft und die stellare Gashülle mit sich reißt. Der Stern blitzt als Supernova auf. Übrig bleibt eine extrem dichte und massereiche Sternleiche, deren Anziehungskraft nicht einmal Licht zu entkommen vermag: ein Schwarzes Loch.

 

Häufig gehören solche Schwarzen Löcher zu einem Doppelsternsystem, sie kreisen also zusammen mit einem anderen Stern um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Auch das Objekt M 33 X-7 in der rund drei Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie M 33 in der Konstellation Dreieck hat eine solche Partnersonne. Diese wiederum zieht bei ihrem Umlauf alle dreieinhalb Tage an dem Schwarzen Loch vorüber und „verdunkelt“ somit regelmäßig die Röntgenstrahlung, die das Massemonster umgibt. Denn das Schwarze Loch sitzt im Zentrum einer so genannten Akkretionsscheibe, in der Gasmaterie herumstrudelt wie Wasser im Badewannenabfluss, sich innen stark aufheizt und dadurch Röntgenstrahlung aussendet.

Abb (s.o.). Massemonster auf der Waage: In der Galaxie M 33 sitzt ein stellares Schwarzes Loch (Pfeil). Es gehört zu einem Doppelsternsystem und hält mit knapp 16 Sonnenmassen den Rekord im „Schwergewicht“. (Bild: Wolfgang Pietsch/MPE Garching /ESA)

 

„Aus der Bedeckungslänge der Röntgenquelle, der Geschwindigkeit des Begleitsterns relativ zum Beobachter sowie aus dessen Spektrum konnten wir sehr exakt die Massen der beiden Komponenten des Doppelsternsystems ableiten“, sagt Wolfgang Pietsch vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München. Dabei verwendeten die Wissenschaftler die Daten des US-amerikanischen Röntgensatelliten Chandra. Weiteren Aufschluss über das System gaben Beobachtungen mit dem Gemini-Teleskop auf dem Mauna Kea in Hawaii. Die Massen der beiden kosmischen Partner ließen die Astronomen staunen: Das Schwarze Loch besitzt die 15,7-fache, der Begleitstern gar die 70-fache Masse unserer Sonne. Somit handelt es sich um das schwergewichtigste Gespann aus einem Schwarzen Loch und einem Stern, das die Forscher bisher kennen. Und das bringt sie in Erklärungsnot.

 

Denn mit herkömmlichen Modellen der Sternentwicklung lässt sich das schwergewichtige Duo nicht leicht interpretieren. So muss der Vorläuferstern des Schwarzen Lochs sogar eine noch größere Masse gehabt haben als sein Partnerstern und außerdem einen gigantischen Durchmesser. Wegen ihres vergleichsweise geringen Abstands sollten sich die beiden Sterne einst sogar berührt haben: Ihre äußeren Atmosphärenschichten wären miteinander verschmolzen. Zwar kennen die Astronomen solche Systeme, in denen die beiden Partner auf Tuchfühlung gegangen sind, doch fließt dabei sehr viel Masse ab, die den Sternen verloren geht.

 

Warum sollte einer der kosmischen Gasbälle soviel Substanz behalten haben, dass er ein Schwarzes Loch von knapp 16 Sonnenmassen hinterlassen konnte? Die Forscher vermuten, dass der Vorgängerstern wesentlich weniger Masse eingebüßt hat, als es die Theorie voraussagt. Dennoch bleibt das System rätselhaft: Wie, so lautet eine der Fragen, überstand das Doppelsternsystem die gewaltige Supernova-Explosion. In jedem Fall wird das Objekt M 33 X-7 die Astronomen noch weiter beschäftigen: „Wegen seiner Eigenheiten ist das Schwarze Loch ein wunderbarer Prüfstein für die Astrophysik“, sagt Wolfgang Pietsch.

 

Quelle: MPG [HOR]

 

Weitere Infos:

Originalveröffentlichungen:

J. A. Orosz et al., A 15.65 Msun black hole in an eclipsing binary in the nearby spiral galaxy Messier 33, Nature 449, 872 (2007).

http://dx.doi.org/10.1038/nature06218

W. Pietsch et al., M 33 X-7: ChASeM 33 reveals the first eclipsing black hole X-ray binary, The Astrophysical Journal 646, 420 (2006).

Chandra-Mission:

http://chandra.nasa.gov

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:

http://www.mpg.de

Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching

http://www.mpe.mpg.de

 

Laserstrahlen regen elektrische Ströme an. Die Bewegungen der Elektronen können über den bekannten Photoeffekt analysiert werden.

 

 

Aus Pro-Physik.de:

Ultrakurze elektrische Ströme 

 

Forschern am Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg ist es mithilfe modernster optischer Techniken gelungen, elektrische Stromimpulse zu erzeugen und nachzuweisen, die tausendmal kürzer sind als solche, die bisher mit der schnellsten Elektronik messbar waren. Diese ultrakurzen Stromimpulse wurden durch Bestrahlung von Metalloberflächen mit Femtosekundenlasern generiert. Aufgrund ihrer kurzen Dauer ermöglichen die Stromimpulse fundamentale Studien der Wechselwirkungsmechanismen von Elektronen im Festkörper. Insbesondere konnten die Marburger Forscher erstmals die ultraschnelle zeitliche Entwicklung der grundlegenden mikroskopischen Prozesse beobachten, die für den elektrischen Widerstand von Materialien verantwortlich sind.

 

Schon am Anfang des 20. Jahrhunderts erkannte Paul Drude, dass die elektrische Leitfähigkeit von Metallen durch Stöße der Elektronen an den Atomrümpfen bestimmt wird. Aus dieser Überlegung folgt, dass selbst in sehr guten elektrischen Leitern wie Kupfer die Zeit zwischen zwei Stößen nur wenige 10 Femtosekunden beträgt. Diese Effekte konnten bisher jedoch nie direkt gemessen werden, da auf dieser Zeitskala keine Transportmessungen durchgeführt werden konnten. Die neuartigen, in Marburg erstmals experimentell realisierten und theoretisch modellierten Strompulse machen nun gerade solche Untersuchungen möglich und eröffnen damit ein weites Feld für fundamentale Studien. Außerdem könnte die gezielte Erzeugung und Manipulation von Stromimpulsen auf dieser extrem kurzen Zeitskala eines Tages zur Entwicklung elektronischer Bauelemente mit ultraschnellem Ladungsträgertransport führen. 

 

Zur Erzeugung der elektrischen Ströme an einer Kupferoberfläche verwendeten die Forscher ultrakurze sichtbare und ultraviolette Laserimpulse, deren Frequenzen sich genau um einen Faktor zwei unterschieden und die phasenstarr zueinander stabilisiert wurden (Abb.). Durch Variation der relativen Phase der oszillierenden Lichtfelder konnte sowohl die Richtung als auch der Betrag des Stromes kontrolliert werden. Da hierbei die Phasenbeziehung der anregenden Lichtfelder, also ihre zeitliche Kohärenz zueinander, die entscheidende Rolle spielt, spricht man auch von einer kohärenten Kontrolle. 

Abb.: Zur Erzeugung der elektrischen Ströme an einer Kupferoberfläche verwendeten die Forscher ultrakurze sichtbare und ultraviolette Laserimpulse (gelbe und blaue Anregungspulse). (Quelle: Philipps-Universität Marburg) (siehe oben)

 

Die Besonderheit des Marburger Experimentes liegt aber vor allem in dem zeitaufgelösten Nachweis des Stromes mit Hilfe des Photoeffektes. Dazu wird ein dritter, roter Laserimpuls mit variabler Zeitverzögerung eingestrahlt, der die angeregten Elektronen aus der Probe herauslöst ohne ihre Geschwindigkeit parallel zur Probenoberfläche zu ändern. Der Strom in der Probe kann dann direkt durch Messung der Geschwindigkeitsverteilung der emittierten Elektronen mit einem Elektronenanalysator beobachtet werden. Die Abbildung illustriert eine Anregung mit der Phasendifferenz, bei der sich die meisten angeregten Elektronen zunächst nach rechts bewegen. Ihre Geschwindigkeiten parallel zur Oberfläche der Probe betragen dabei typisch etwa 1 Å/fs oder 100 km/s. Durch Streuung der Elektronen mit Defekten der Probe, bei welcher die Ausbreitungsrichtung der Elektronen geändert wird, geht die zunächst asymmetrische Verteilung in wenigen zehn Femtosekunden in eine symmetrische Verteilung über und der Strom fällt ab. Im Experiment wird diese ultrakurze Zerfallszeit in einem Anregungs-Abfrage-(bzw. Pump-Probe)-Schema aufgelöst, bei dem die Geschwindigkeitsverteilung für verschiedene Zeitverzögerungen gemessen wird. 

 

Die Zeitauflösung wird dadurch erreicht, dass die Laserimpulse über leicht unterschiedliche Wege geführt werden. Aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit entspricht dabei ein Wegunterschied von etwa 0,003 mm einer Zeitverzögerung von 10 fs. Damit die Elektronen ungehindert aus der Probe austreten können, sowie beim Nachweis nicht mit Luftmolekülen zusammenstoßen, wurden die Experimente an einer sehr sauberen und geordneten Oberfläche eines Kupfer-Einkristalls unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt. Dazu wurde der Restgasdruck in der Experimentierkammer um mehr als 13 Größenordnungen gegenüber dem normalen Luftdruck auf 6x10–11 mbar abgesenkt.

 

Quelle: Philipps-Universität Marburg

 

Weitere Infos:

Orginalveröffentlichung:

J. Güdde, M. Rohleder, T. Meier, S.W. Koch, U. Höfer, Time-resolved investigation of coherently controlled electric currents at a metal surface, Science 318, 1287–1291 (2007)..

http://dx.doi.org/10.1126/science.1146764

Surface Physics Group, Uni Marburg:

http://www.physik.uni-marburg.de/of/

Surface Dynamics Group Uni Marburg:

http://www.physik.uni-marburg.de/of/publich.html

Animation des Experiments:

http://www.physik.uni-marburg.de/of/dynamics/cc_animation.html

 

 

Animation des Experimentes: Hier klicken

 

Hinweise zur Animation:

 

The animation illustrates the optical generation of electric current pulses as short as 50 femtoseconds (1 femtosecond (fs) = 10-15 s) and their time-resolved detection with photoelectron spectroscopy. Ultrashort, phase-locked laser pulses (drawn in yellow and blue) generate an electron current at a metal surface whose direction and magnitude is controlled by the relative phase ΔΦ between the corresponding oscillating light fields. The excited electrons that carry the current are emitted from the sample by a third laser pulse (drawn in red) via the photoelectric effect. The current is monitored by directly measuring the velocity distribution of the charge carriers. The electrons typically travel at a speed of 1 Å/fs or 100 km/s parallel to the surface. In the animation most of the electrons excited with ΔΦ= 90° initially move to the right. Due to scattering processes with defects the velocity distribution of the electrons gets symmetric on the femtosecond time scale and the current decays. In the experiment, this ultrafast decay is time-resolved by applying a pump-probe scheme. For that purpose, the sequence of current generation and detection is repeated with different time delays between the excitation and photoemission pulses. The simplified illustration shows the equivalent measurement of one-time excitation and continuous probing.

Ein scheinbarer Gegensatz ist aufgehoben!

 

 

Die Elektronen sind sowohl für die Wärmeleitung als auch den elektrischen Strom verantwortlich. Deshalb sind Metalle sowohl gute Wärmeleiter als auch gute elektrische Leiter.

 

Durch Einbau frei schwingender Bereiche wird die Wärmeleitfähigkeit aber erschwert:

 

Aus pro-physik.de:

 

Es rappelt im Kristall!

 

Jülich – Rappelnde Atompaare verringern die Wärmeleitfähigkeit kristalliner Materialien besonders gut, fanden Physiker des Forschungszentrums Jülich heraus. Schwere, in Kristallen frei schwingende, hantelförmige Gebilde könnten eine Schlüsselfunktion einnehmen bei der Entwicklung von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit. Damit ließe sich der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren steigern, die aus Temperaturdifferenzen Strom herstellen. Bisher ungenutzte Abwärme könnte so zunehmend wirtschaftlich interessant werden. Die Ergebnisse werden in der kommenden Ausgabe der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht und sind bereits vorab online einsehbar.

 

„Unsere Erkenntnisse öffnen ganz neue Wege auf der Suche nach immer effizienteren thermoelektrischen Materialien“, freuen sich Werner Schweika und Raphaël Hermann vom Jülicher Institut für Festkörperforschung. Das Ziel ist klar: Abwärme, die heute noch ungenutzt verloren geht, etwa in Müllverbrennungsanlagen, Kraftfahrzeugen oder Blockheizkraftwerken, so vollständig wie möglich zur Energierückgewinnung zu nutzen, um gleichzeitig zum Klimaschutz beizutragen.

 

Thermoelektrische Materialen erzeugen eine elektrische Spannung, wenn sie einem Temperaturgefälle ausgesetzt sind. Dieses Phänomen wird in thermoelektrischen Generatoren genutzt, um elektrische Energie zu produzieren. Noch ist der Wirkungsgrad der Materialien bei der Umwandlung in Strom recht schlecht und liegt bei maximal 8 Prozent. Zum Vergleich: Kohlekraftwerke haben einen Wirkungsgrad von bis zu 45 Prozent. Das begrenzt den Einsatz der Generatoren bisher auf spezielle Anwendungen, etwa in der Raumfahrt. Um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, sind Materialen nötig, die elektrischen Strom gut leiten, Wärme dagegen schlecht. Die Herausforderung besteht darin, dass gute Stromleiter in der Regel ebenso gute Wärmeleiter sind. Solche Materialien zeichnen sich auf atomarer Ebene durch eine regelmäßige Gitterstruktur aus. Elektrizität breitet sich darin in Form von Elektronenströmen aus, Wärme in Form von Gitterschwingungen, die sich wellenförmig durch das Material bewegen. Unregelmäßigkeiten in der Gitterstruktur, etwa fehlende Atome, können zwar die Wärmeleitfähigkeit verringern, beeinträchtigen aber auch die elektrische Leitfähigkeit.

Abb.: Atomare Hanteln im Zinkantimon-Kristallgitter verringern dessen Wärmeleitfähigkeit. Das erklärt die guten thermoelektrischen Eigenschaften dieser Legierung, fanden Festkörperforscher des Forschungszentrums Jülich heraus. Blaue Kugeln: Antimonatome, rote Kugeln: Zinkatome. (Quelle: FZJ) (siehe Nachrichtenbild, Anklicken = Vergrößern)

 

Schweika und Hermann haben nun entschlüsselt, wie der atomare Bauplan eines altbekannten guten thermoelektrischen Materials die Kombination der scheinbar unvereinbaren Eigenschaften ermöglicht. Die Jülicher Forscher haben mit Hilfe von Neutronenstreuexperimenten und Wärmekapazitätsmessungen die Ursache für die geringe Wärmeleitfähigkeit einer Zinkantimon-Legierung untersucht. Dabei stießen sie auf eine bisher unbekannte Form so genannter dynamischer Unordnung, die die Ausbreitung von Wärme in diesem Halbmetall behindert: Zinkantimon hat eine regelmäßige Kristallstruktur, in der atomare Hanteln mit relativ großem Gewicht lose eingebettet sind. Wenn Wärmewellen durch das Material wandern, werden auch die Hanteln in Schwingung versetzt. Auf die Wärmewellen hat das einen ähnlich störenden Effekt wie Wellenbrecher vor einer Küste auf das Meerwasser. Der Clou: Die elektrische Leitfähigkeit wird nicht behindert.

 

Bereits 2003 konnte Hermann nachweisen, dass einzelne Atome, eingefangen in kristallinen Käfigstrukturen, unabhängig von den Kristallgittern schwingen und die Wärmeleitfähigkeit verringern. Jetzt erbrachten er und seine Kollegen den Beweis, dass käfigartige Strukturen keine Voraussetzung für solche lokalisierten Schwingungen sind.

 

Quelle: FZJ

 

Weitere Infos:

Originalveröffentlichungen:

W. Schweika, R. P. Hermann, M. Prager, J. Persson, V. Keppens, Dumbbell rattling in thermoelectric zinc-antimony, Phys. Rev. Lett. 99, 125501 (2007).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.125501

R. P. Hermann, R. Jin, W. Schweika, F. Grandjean, D. Mandrus, B. C. Sales, and G. J. Long, Einstein Oscillators in Thallium Filled Antimony Skutterudites, Phys. Rev. Lett. 90, 135505 (2003).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.135505

Institut für Festkörperforschung (IFF):

http://www.fz-juelich.de/iff/index.php

IFF-Bereich Streumethoden:

http://www.fz-juelich.de/iff/d_ism

Forschungszentrum Jülich (FZJ):

http://www.fz-juelich.de