Hydronics – Interdisziplinärer Ansatz zur Erforschung des Ladungs- und Wärmetransports

Das Team von Ilaria Zardo (rechts) beteiligt sich am Sinergia-Projekt «Hydronics».

Der Schweizerische Nationalfond hat kürzlich zugestimmt, das interdisziplinäre Sinergia-Projekt «Hydronics» mit einem finanziellen Beitrag von 2.7 Millionen Schweizer Franken zu fördern. Professorin Dr. Ilaria Zardo vom Departement Physik leitet das Projekt, in dem ein interdisziplinäres Team mit Forschenden der Universität Basel, der EPFL, der Empa und von IBM den Ladungs- und Wärmetransport untersucht und neue Wege bei der Kontrolle von elektrischen und thermischen Strömen einschlagen möchte.

Unterschiedliche Ausbreitung der Wärme
Elektronische Bauteile werden immer kleiner und leistungsfähiger. Problematisch bei der Miniaturisierung ist dabei die Wärmeentwicklung in den elektronischen Komponenten. Daher wird es für die Computer- und Elektronikindustrie immer wichtiger, den Ladungs- und Wärmetransport besser zu verstehen und kontrollieren zu lernen.

Die Wärme in den verschiedenen Bauteilen entsteht durch mechanische Wellen – sogenannte Phononen. In einem dreidimensionalen Festkörper breiten sich diese Wellen normalerweise diffus aus. In zweidimensionalen Materialien dagegen hat ihre Ausbreitung unter bestimmten Bedingungen grosse Ähnlichkeit mit der Ausbreitung von Strömungen in Flüssigkeiten. Fachleute sprechen daher auch vom hydrodynamischen Transport, der sich in seinen Eigenschaften deutlich vom diffusen Transport abgrenzt. Beim hydrodynamischen Transport pflanzt sich beispielsweise ein Wärmeimpuls wie eine Druckwelle im Medium ohne wesentliche Dämpfung aus, während es beim diffusen Transport schnell zu grossen Verlusten kommt.

Gezielte Steuerung wünschenswert
Wenn es gelänge das hydrodynamische Transportregime effektiv zu nutzen, liessen sich Materialien herstellen, in denen sich die Ausbreitung der Phononen ganz gezielt steuern lässt. Dies wäre eine Möglichkeit, um Materialien zu entwerfen, die Wärme sehr schnell abgeben und sich daher nur wenig aufheizen. Es könnten auf diesem Wege auch Wärmeunterschiede im Material möglichst lange aufrecht gehalten werden und so der Stromerzeugung dienen.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit
Für derartige Ansätze sind vielfältige Kenntnisse in Materialwissenschaften und Gerätetechnik sowie Erfahrung mit rechnergestützten Transportmodellen und der Entwicklung experimenteller Protokolle erforderlich. Daher haben sich die auf diesen Gebieten führenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Schweiz zusammengeschlossen, um gemeinsam den Wärme- und Ladungstransport im hydrodynamischen Regime zu untersuchen. Die Gruppen von Prof. Dr. Michel Calame (Empa), Prof. Dr. Nicola Marzari (EPFL) und Dr. Bernd Gostmann (IBM) arbeiten in den nächsten vier Jahren mit dem Zardo-Team zusammen, um ihr gemeinsames Ziel zu verfolgen, elektrische und thermische Ströme auf viel effizientere Art und Weise zu kontrollieren und zu leiten.

Zunächst haben die Forschenden vor, theoretische Modelle zu entwickeln, die hydrodynamischen Transport in dieser Form beschreiben. Diese Modelle dienen dazu Schlüsselgrössen und -phänomene vorauszusagen, die dann in einem Experiment nachgewiesen werden können. Dies bedingt die Entwicklung von Experimenten, die zur Demonstration hydrodynamischer Transporteffekte im Wärme- und Ladungstransport geeignet sind. Zudem soll es möglich werden, den hydrodynamischen Transport in bekannten 2D- und 3D-Materialien vorherzusagen und mittels Strukturierung der Materialien zu optimieren. Mikroskalige Vorrichtungen, deren Funktion von hydrodynamischen Transporteffekten abhängt, sollen abschliessend dazu dienen das Funktionsprinzip zu demonstrieren.

Wie bei Sinergia-Projekten gefordert, arbeiten im Projekt «Hydronics» mehrere Forschungsgruppen eng zusammen, um ganz neue Wege einzuschlagen. Zunächst spielen dabei grundlagenwissenschaftliche Ansätze eine grosse Rolle. Die beteiligten Forschenden bearbeiten aber auch angewandte Aspekte, insbesondere in der Mikrofabrikation und Gerätetechnik. Doktorierende und Postdoktorierende sind an den Teilprojekten beteiligt und bekommen so das nötige Knowhow, um für akademische wie auch industrielle Karrieren gerüstet zu sein.

Weitere Information

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