Wie man Wärmeleitung einfriert

Physik-News vom 21.02.2019


An der TU Wien wurde ein physikalischer Effekt entdeckt, der elektrisch leitende Materialien mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit ermöglicht. Damit kann man Abwärme in Strom umwandeln.

Jeden Tag geht uns wertvolle Energie in Form von Abwärme verloren – bei technischen Geräten zu Hause, aber auch bei großen Energieanlagen. Einen Teil davon könnte man mit Hilfe des „thermoelektrischen Effekts“ zurückgewinnen. Dabei wird aus einer Wärmedifferenz zwischen einem heißen Gerät und der kalten Umgebung direkt elektrischer Strom gewonnen. Allerdings braucht man dafür Materialien, die einerseits Strom gut leiten, andererseits aber relativ schlechte Wärmeleiter sind.


Das Atom im Käfig kann in zwei Richtungen schwingen.

Publikation:


M. S. Ikeda, H. Euchner, X. Yan, P. Tomeš, A. Prokofiev, L. Prochaska, G. Lientschnig, R. Svagera, S. Hartmann, E. Gati, M. Lang & S. Paschen
Kondo-like phonon scattering in thermoelectric clathrates
Nature Communications, 2019

DOI: 10.1038/s41467-019-08685-1



Nach solchen Materialien wird weltweit gesucht. Als besonders vielversprechend erwiesen sich Materialien mit Käfigstruktur, zu denen auch die an der TU Wien untersuchten Clathrate gehören. Nun wurde nach aufwändigen Untersuchungen ein bemerkenswerter Effekt nachgewiesen, der die besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien erklären kann.

Silke Bühler-Paschen

Gefängniszellen für Atome

„Clathrate sind Kristalle mit einer ganz besonderen Struktur“, erklärt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Sie bestehen aus winzigen Gitterkäfigen, in denen einzelne Atome eingesperrt sind.“ Ein solches Atom kann in seiner Einzelzelle hin und her schwingen, es ist aber nicht fest in das Kristallgitter eingebaut.

Die Wärme in einem Festkörper ist nichts anderes als das Schwingen der Atome. Erwärmt man einen Kristall, werden die Schwingungen immer größer und heftiger, bis irgendwann die Bindungen zwischen den Atomen aufgebrochen werden und der Kristall schmilzt. „Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Schwingungen“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Sind benachbarte Atome stark aneinander gebunden, so überträgt sich die Schwingung eines Atoms gleich auf den Nachbar und eine Wärmewelle breitet sich im Material aus. Je stärker die Kopplung zwischen den Atomen, desto schneller die Ausbreitung der Welle und desto größer die Wärmeleitung. Ist ein Atom jedoch nur sehr schwach an seine Nachbarn gebunden, wie eben das Atom im Clathratkäfig, so schwingt es weitgehend unabhängig von den anderen und die Wärmewelle ist extrem langsam.“

Neuer Effekt: Die Kondo-artige Phononenstreuung

Matthias Ikeda stellte im Rahmen seiner Dissertation bei Silke Bühler-Paschen fest, dass es einer bestimmten Wechselwirkung zwischen diesen beiden Arten von Schwingungen zu verdanken ist, dass Clathrate so guten Wärmeisolatoren sind. Ikeda führte präzise und umfangreiche Messungen durch. Ganze Serien von Kristallen mit jeweils leicht unterschiedlichen Eigenschaften wurden an der TU Wien hergestellt und sorgfältig vermessen. „Am Ende konnten wir nachweisen, was uns anfangs noch niemand glauben wollte: Es gibt hier einen bisher unbekannten physikalischen Effekt, der die Wärmeleitfähigkeit unterdrückt – wir bezeichnen ihn als Kondo-artige Phononenstreuung“, sagt Matthias Ikeda.

Aufgrund der Kristallstruktur schwingt ein Atom im Clathratkäfig bevorzugt in zwei bestimmten Richtungen. „Wenn jetzt eine Wärmewelle ankommt, kann sie für eine gewisse Zeit einen gebundenen Zustand mit einer solchen Schwingung eingehen. Die Wärmewelle ändert dabei die Schwingungsrichtung des Atoms im Clathratkäfig“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Dadurch wird die Wärmewelle abgebremst, und genau das reduziert die Wärmeleitung. Obwohl Clathrate elektrischen Strom leiten, sind sie daher gute thermische Isolatoren“.

Besseres Material für Thermoelektrika

Genau diese Kombination braucht man, um den thermoelektrischen Effekt großtechnisch zu nutzen: Man verbindet etwas Heißes mit etwas Kaltem mit dem passenden Material und kann den Energiefluss dazwischen direkt in elektrischen Strom umwandeln. Dafür muss das Material einerseits elektrischen Strom leiten, soll den Temperaturunterschied aber nicht durch Wärmeleitung rasch ausgleichen, weil der Effekt sonst nicht mehr genutzt werden kann.

„Das Projekt war sehr aufwändig, neben zahlreichen Experimenten mussten auch umfangreiche Computersimulationen entwickelt werden, um die quantenphysikalischen Prozesse hinter diesem Effekt zu verstehen“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Aber es hat sich gelohnt: Mit unserem Konzept der Kondo-artigen Phononenstreuung kann man das Verhalten von Clathraten nun viel besser verstehen und damit auch gezielter daran arbeiten, die effizientesten Materialien für thermoelektrische Anwendungen zu finden.“


Die News der letzten 14 Tage 11 Meldungen

28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
25.11.2022
Sonnensysteme | Astrophysik
Im dynamischen Netz der Sonnenkorona
In der mittleren Korona der Sonne entdeckt ein Forscherteam netzartige, dynamische Plasmastrukturen – und einen wichtigen Hinweis auf den Antrieb des Sonnenwindes.
25.11.2022
Exoplaneten | Astrophysik
Rätselraten um einen jungen Exo-Gasriesen
Eine Foschergruppe hat einen Super-Jupiter um den sonnenähnlichen Stern HD 114082 entdeckt, der mit einem Alter von 15 Millionen Jahren der jüngste Exoplanet seiner Art ist.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik
Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
22.11.2022
Exoplaneten | Teleskope
Weltraumteleskop JWST: Neues von den Atmospären von Exoplaneten
Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre des Planeten geliefert.
21.11.2022
Galaxien | Schwarze Löcher | Teleskope
Schärfster Blick in den Kern eines Quasars
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars.
22.11.2022
Festkörperphysik | Physikdidaktik
Chemielehrbücher: Es gibt keine Kohlensäure - Falsch!
Die Existenz von Kohlensäure war in der Wissenschaft lange umstritten: theoretisch existent, praktisch kaum nachweisbar, denn an der Erdoberfläche zerfällt die Verbindung.
21.11.2022
Quantenphysik
Ein Quant als Winkel
Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt: In Wien fand man nun eine bemerkenswerte neue Art, sie zu messen – nämlich als Drehwinkel.
21.11.2022
Akustik | Quantenoptik
Akustische Quantentechnologie: Lichtquanten mit Höchstgeschwindigkeit sortiert
Einem deutsch-spanischen Forscherteam ist es gelungen einzelne Lichtquanten mit höchster Präzision zu kontrollieren.

15.01.2019
Festkörperphysik | Plasmaphysik

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern
Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt.
30.06.2017
Festkörperphysik

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
Großes Potenzial für Anwendungen in der gezielten Pharmakotherapie und zur Herstellung maßgeschneiderter Nanoteilchen.
01.08.2018
Festkörperphysik

Einblick in Verlustprozesse in Perowskit-Solarzellen ermöglicht Verbesserung der Effizienz
In Perowskit-Solarzellen gehen Ladungsträger vor allem durch Rekombination an Defekten an den Grenzflächen verloren.
02.02.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik

Kühlung von Materie aus Distanz
Forschende können zwei Quantensysteme über eine Distanz von einem Meter zu einem Regelkreis verbinden: In diesem Regelkreis wird das eine Quantensystem – eine vibrierende Membran – durch das andere Quantensystem – eine Wolke von Atomen – gekühlt.
20.11.2019
Atomphysik | Festkörperphysik

Kleine Teilchen, große Wirkung: Wie Nanoteilchen aus Graphen die Auflösung von Mikroskopen verbessern
Konventionelle Lichtmikroskope können Strukturen nicht mehr abbilden, wenn diese einen Abstand haben, der kleiner als etwa die Lichtwellenlänge ist.
08.08.2018
Festkörperphysik | Optik

Weltrekord: Schnellste 3D-Tomographien an BESSY II
Ein HZB-Team hat an der EDDI-Beamline an BESSY II einen raffinierten Präzisions-Drehtisch entwickelt und mit einer besonderen, schnellen Optik kombiniert.
15.02.2021
Festkörperphysik | Teilchenphysik

Dualer Charakter von Exzitonen im ultraschnellen Regime: atomartig oder festkörperartig?
Exzitonen sind Quasiteilchen, die Energie durch feste Stoffe transportieren können.
07.07.2020
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Robuste Materialien in Schwingung versetzt
Physiker beobachten in Echtzeit extrem schnelle elektronische Änderungen in besonderer Materialklasse.
23.09.2019
Festkörperphysik

Wie man effiziente Materialien für OLED-Displays entwickelt
Für Anwendungen wie Leuchtdioden oder Solarzellen stehen heute organische Materialien im Mittelpunkt der Forschung.
18.10.2018
Festkörperphysik | Optik

Nanodiamanten als Photokatalysatoren
Diamant-Nanomaterialien gelten als heiße Kandidaten für günstige Photokatalysatoren.
02.10.2019
Festkörperphysik

Biobasierte Carbonfasern – Nachhaltige Hochleistung für den Leichtbau
Carbonfasern werden aus polymeren faserförmigen Vorläufermaterialien hergestellt, den Präkursoren.
18.09.2018
Festkörperphysik

Unordnung kann Batterien stabilisieren
Neuartige Materialien können Speicherkapazität und Zyklenfestigkeit von wiederaufladbaren Batterien wesentlich verbessern.
25.03.2022
Festkörperphysik

Speedlimit für Computer ermittelt
Bei einer Million Gigahertz ist Schluss: Dann ist die physikalische Grenze der Signalgeschwindigkeit in Transistoren erreicht, wie ein deutsch-österreichisches Physikteam nun festgestellt hat.
02.05.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Laserinduzierte Spindynamik in Ferrimagneten: Wohin geht der Drehimpuls?
Durch intensive Laserpulse kann die Magnetisierung eines Materials sehr schnell manipuliert werden.
30.07.2018
Festkörperphysik

Einzelne Silber-Nanopartikel in Echtzeit beobachtet
Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, um in Echtzeit die chemischen Reaktionen von einzelnen Silber-Nanopartikeln zu beobachten, die gerade einmal ein Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares messen.
15.07.2019
Teilchenphysik | Festkörperphysik

Beschleunigerphysik: Alternatives Material für supraleitende Hochfrequenzkavitäten getestet
Supraleitende Hochfrequenzkavitäten können Elektronenpakete in modernen Synchrotronquellen und Freien Elektronenlasern mit extrem hoher Energie ausstatten.
26.02.2018
Festkörperphysik

Sonnenkonzentrat aus der Folie
Bisher sind es nur Zukunftsvisionen: Farbige Hausfassaden etwa, die auch bei miesem Wetter Sonnenstrom produzieren, oder Elektroautos, die ihre Batterien selbst im Schatten mit solaren Ampères laden können.
04.06.2018
Festkörperphysik

Härten auf Knopfdruck: Kohlenstoff-Faser-Verbundwerkstoffe und Unterwasser-Kleber
An der TU Wien wurde eine Spezialformel für ein Epoxidharz entwickelt.
28.11.2019
Festkörperphysik

Der Nachbar schwingt mit
Arbeitsgruppe der Universität Konstanz gelingt direkte Kopplung zweier nahe beieinanderstehender Sensoren im Nanobereich.
06.08.2018
Festkörperphysik

Mit Elektronenstrahlstrukturierung zu höchstauflösenden OLED-Vollfarbdisplays
OLED-Mikrodisplays etablieren sich zunehmend für den Einsatz in künftigen Wearables und Datenbrillen.
21.04.2022
Festkörperphysik | Quantenphysik | Teilchenphysik

Das Rätsel ultrakurzer Solitonen-Moleküle
Stabile Pakete von Lichtwellen – sogenannte optische Solitonen – werden in Ultrakurzpuls-Lasern als eine Kette von Lichtblitzen ausgestrahlt.
05.02.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik

Lang lebe die Supraleitung!
Supraleitung - die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom verlustfrei zu übertragen - ist ein Quanteneffekt, der trotz jahrelanger Forschung noch immer auf tiefe Temperaturen be-schränkt ist.
07.05.2019
Atomphysik | Elektrodynamik | Festkörperphysik

Neuartiges Material zeigt auch neue Quasiteilchen
Forschende des PSI haben ein neuartiges kristallines Material untersucht, das bislang nie gesehene elektronische Eigenschaften zeigt.
05.09.2019
Festkörperphysik | Quantenphysik

Garchinger Physiker fotografieren magnetische Polaronen
Garchinger Physikern gelang es erstmals, die magnetische Struktur um mobile Störstellen in einem Kristallgitter, sogenannte magnetische Polaronen, mithilfe eines Quantensimulators abzulichten.
24.09.2018
Festkörperphysik

Forscher untersuchten Wechselwirkungen in künstlichen Systemen
Wissenschaftler der Universitäten in Leipzig und Princeton haben in Experimenten herausgefunden, wie durch Informationsaustausch zwischen einzelnen Objekten neue Strukturen mit besonderen Eigenschaften entstehen können.
09.09.2019
Festkörperphysik

Stuttgarter Physiker weisen erstmals zweifelsfrei einen Suprafestkörper nach
Suprafestkörper (im englischen supersolids) beschreiben einen Aggregatszustand, den man vereinfacht als fest und flüssig zugleich beschreiben kann.
30.03.2020
Festkörperphysik

Stabile Blasen und ein Wasserläufer bewahren Stahl vor Erosion
Physiker der Universität Magdeburg entwickeln neues Verfahren zum Schutz von Schiffspropellern und Turbinen.
03.06.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik

Quantenbits aus Löchern
Wissenschafter haben ein neues und vielversprechendes Qubit gefunden – an einem Ort, an dem es nichts gibt.
27.03.2019
Festkörperphysik | Quantenphysik

Bloß kleine Wellen schlagen: Forscherteam erzeugt ultrakurze Spinwellen in einem einfachen Material
Die Spintronik gilt als vielversprechendes Konzept für die Elektronik der Zukunft.
22.09.2022
Festkörperphysik | Quantenphysik | Teilchenphysik

Kernstück für einen skalierbaren Quantencomputer
Millionen von Quantenbits sind nötig, damit Quantencomputer sich in der Praxis als nützlich erweisen, die sogenannte Skalierbarkeit gilt als eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung.
22.09.2022
Festkörperphysik | Thermodynamik

Molekülschwingungen schärfer denn je messbar!
Mit Rastertunnelmikroskopen lassen sich zwar einzelne Moleküle abbilden, ihre Schwingungen waren damit bisher aber nur schwer detektierbar.
11.07.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Leistungsstärkere weiße OLEDs: Dresdner Physiker befreien Photonen mittels Nanostrukturen
Organische Leuchtdioden (OLEDs) haben dank intensiver Forschungsarbeiten in den letzten Jahrzehnten den Elektronikmarkt immer weiter erobert – von OLED-Handydisplays bis zu herausrollbaren Fernsehbildschirmen, die Liste der Anwendungsfelder ist lang.
05.11.2019
Festkörperphysik | Quantenoptik

Laser erzeugt topologischen Zustand in Graphen
Die Entdeckung neuer Methoden zur Kontrolle topologischer Aspekte von Quantenmaterialien ist ein wichtiges Forschungsfeld, da mit ihnen Materialien mit wünschenswerten Ladungs- und Spintransporteigenschaften für zukünftige Technologien entwickelt werden können.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
16.04.2018
Festkörperphysik

Echtzeit Schichtdickenmessung mit Terahertz
Terahertz ist eine Schlüsseltechnik für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.
01.11.2019
Festkörperphysik | Quantencomputer

Der ganz besondere rote Diamant - Forschung zu angewandter Quantentechnologie an der Universität Leipzig
Physikern der Universität Leipzig ist ein wichtiger Schritt bei der Nutzung der Quantentechnologie für Computer und Sensoren gelungen.
12.07.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Teilchenphysik

Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt
Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen.
24.02.2020
Teilchenphysik | Elektrodynamik | Festkörperphysik

Elektronenbeugung zeigt winzige Kristalle in neuem Licht
Um die biologischen Funktionen von Proteinen, den Bausteinen des Lebens, zu verstehen, ist es unerlässlich, ihre Struktur zu erforschen.
08.07.2020
Festkörperphysik | Teilchenphysik

Im Takt der Atome: Schwingungen von Atomen zur Kontrolle eines Phasenübergangs nutzen
Chemische Reaktionen mit kurzen Lichtblitzen filmen und steuern – dieses Ziel liegt dem Forschungsfeld der „Femtochemie“ zugrunde.
16.12.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Metall mit ungewöhnlichen Eigenschaften
Eine chinesisch-deutsche Forschungskooperation mit Beteiligung der Universität Augsburg hat bei einem Metall Eigenschaften nachgewiesen, die sich mit gängigen physikalischen Theorien nicht erklären lassen.
28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
02.09.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik | Thermodynamik

Neues Fell für Schrödingers Katze
Ob Magnete oder Supraleiter: Materialien sind für ihre Eigenschaften bekannt, doch unter extremen Bedingungen können sich solche Eigenschaften spontan ändern.
19.12.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Neues Quantenmaterial mit magnetischen und topologischen Eigenschaften entdeckt
Ein internationales Konsortium von Chemikern und Physikern hat eine neue Art von Quantenmaterial mit intrinsisch magnetischen und topologischen Eigenschaften entdeckt.
18.10.2018
Festkörperphysik

Nanokäfige im Labor und im Computer
Nanokäfige sind hochinteressante molekulare Strukturen mit Hohlräumen, die z.
02.04.2020
Festkörperphysik | Quantenoptik

Wie man Schmutz einfach entfernt
Schmutz ist nicht immer gleich Schmutz. Staub haftet nur wenig an Oberflächen. Es gibt aber auch Schmutz, wie zum Beispiel eingetrocknete Farbe, welcher stark klebt. Doch wie kann man die Hafteigenschaften einer Oberfläche gezielt einstellen, so dass unterschiedlicher Schmutz nicht dran kleben bleibt?
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik

Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
11.07.2017
Festkörperphysik

Wie ein Material zum Supraleiter wird: Phänomen der Elektronenpaare beobachtet
Hochtemperatur-Supraleiter sind Materialien, die bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren und damit Strom ohne Verlust transportieren können - und das im Gegensatz zu konventionellen Supraleitern bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen.
02.05.2019
Thermodynamik | Festkörperphysik

Beton beim Explodieren beobachtet
Auch wenn Beton nicht brennbar ist, kann es bei Tunnelbränden gefährlich werden: Hochleistungsbeton kann bei hohen Temperaturen explodieren.
20.07.2021
Festkörperphysik | Thermodynamik

Ein Stoff, zwei Flüssigkeiten: Wasser
Wasser verdankt seine besonderen Eigenschaften möglicherweise der Tatsache, dass es aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten besteht.
16.09.2019
Elektrodynamik | Thermodynamik | Festkörperphysik

Womit werden wir morgen kühlen - Wissenschaftler bewerten das Potenzial von Werkstoffen für die magnetische Kühlung
Für das Jahr 2060 erwarten Zukunftsforscher einen Paradigmenwechsel beim globalen Energiekonsum: Erstmals wird die Menschheit mehr Energie zum Kühlen aufwenden als für das Heizen.