Zwei theoretische Physiker aus Belgien und den Vereinigten Staaten glauben, eine erfolgversprechende Methode zur Kühlung winziger Computerchips entwickelt zu haben. Ihr bisher nur auf dem Papier konzipierter Kühlschrank besteht aus einem Stab, der nicht viel größer als ein kleines organisches Molekül ist und dessen Enden mit winzigen Seitenfortsätzen in Form von Paddeln versehen sind. Wenn zwischen beiden Enden des Stabes ein Temperaturunterschied besteht, beginnt er sich zu drehen, um das Ungleichgewicht durch Wärmeleitung auszugleichen. Durch eine von außen auf den Stab einwirkende Kraft kann dieser Wärmefluss umgekehrt werden, so dass die Temperatur seines kälteren Endes weiter absinkt ? genau wie bei der Wärmepumpe eines Kühlschranks.
Chris van den Broeck von der Hasselt-Universität in Belgien und Ryoichi Kawai von der Universität von Alabama in Birmingham machen sich bei ihrem Konzept die Brownsche Zitterbewegungen von Molekülen in der Umgebung der Paddel an den beiden Enden des Stabes zunutze. Wenn die Moleküle auf die Paddel auftreffen, so übertragen sie einen Teil ihres Impulses an diese. Der Impulsübertrag ist umso größer, je stärker die Zitterbewegungen sind und nimmt daher mit der Temperatur der Moleküle zu.
Der Trick besteht nun darin, dass die Paddel der beiden Enden nicht genau gleich geformt sind. Am einen Ende des Stabes könnten sie zum Beispiel flach sein und an dessen anderem Ende keilförmig. Diese Asymmetrie ermöglicht es, dass der Stab durch einen Temperaturunterschied zwischen seinen beiden Enden in Rotation versetzt wird. Er rotiert dabei im Einklang mit den Gesetzen der Thermodynamik, da ein Wärmestrom immer von seinem heißeren zu seinem kälteren Ende führt. Der ursprüngliche Temperaturunterschied wird somit ausgeglichen, bis sich ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellt.
Um den Stab in einen Kühlschrank zu verwandeln, muss nun nach Angabe der beiden Forscher nur eine äußere Kraft aufgewendet werden, die ihn in die umgekehrte Rotationsrichtung versetzt. Dann fließt auch der Wärmestrom in die umgekehrte Richtung, sodass das kalte Ende des Stabes weiter abgekühlt und damit auch die Zitterbewegungen der Moleküle an diesem Ende abgeschwächt werden.
Die Wärmeleitung werde nur durch die Brownsche Bewegung der Moleküle in der Umgebung des Stabes ausgelöst, betonen die Forscher. Sie hoffen, dass sich ihr Konzept gut für die Kühlung winzig kleiner elektronischer Bauteile eignen wird.
Physical Review Letters, Band 96 Artikel 210601 Stefan Maier
