Elektrogeräte sollen immer mehr leisten, die Anforderungen an Prozessoren steigen ständig. Gleichzeitig erwarten Nutzer von Smartphones und Laptops möglichst lange Akkulaufzeiten. Während die Chiphersteller versuchen, sich mit immer stärkeren Prozessoren zu überbieten, arbeiten Forscher weltweit seit Jahren an einem zentralen Problem: Durch die Leistung der Mikrochips in den Geräten entsteht Wärme, die abgeleitet werden muss. Dabei geht Energie verloren. Das ist nicht nur teuer, sondern schadet auch der Umwelt.
„Mikrochips verlieren so viel Energie durch die Wärmeableitung, dass es ein einschränkender Faktor ist. Je kleiner sie werden, desto stärker erhitzen sie sich“, sagt James Analytis, Assistenzprofessor für Physik an der kalifornischen Universität Berkeley. Analytis ist Teil eines internationalen Forscherteams, das der Lösung des Abwärme-Problems nun einen riesigen Schritt näher gekommen ist: In einem Experiment setzten die Wissenschaftler ultradünne Nanoscheiben des Stoffes Cadmiumarsendid einem starken Magnetfeld aus. In den Scheiben konnten die Forscher erstmals sogenannte 3D-Leitungen nachweisen, durch die Elektronen von einer Seite der Oberfläche durch die Stoffmitte hindurch zur anderen wandern können – ohne dass dabei Energie verloren geht.
Schon 2014 erregte Cadmiumarsenid unter Wissenschaftlern Aufsehen, als bekannt wurde, dass der Stoff einige Eigenschaften mit Graphen teilt – ein Material, das ebenfalls als Superstoff für die Geräte von morgen gehandelt wurde. Dank seiner 3D-Struktur gilt Cadmiumarsenid als vielversprechender. „Besonders spannend an diesen Phänomenen ist, dass sie in der Theorie nicht durch Temperatur beeinträchtigt werden. Und die Tatsache, dass sie in drei Dimensionen existieren, könnte die Herstellung neuer Geräte einfacher machen“, sagt Analytis.
Das Material selbst sei in seiner jetzigen Form noch nicht für Anwendungen geeignet, aber man sei auf dem richtigen Weg, so die Forscher. Sollte es ihnen gelingen, das Experiment erfolgreich an ähnlichen Stoffen durchzuführen, könnte ein solches Material zum Beispiel für die Verbindung zwischen Prozessoren und anderen Komponenten zukünftiger Computer benutzt werden. Auch in Geräte, die Abwärme in Strom verwandeln, könnten solche Materialien verbaut werden. Von Smartphones über Laptops bis zu Serverfarmen würden Geräte so deutlich weniger Strom verbrauchen – eine Clean-Energy-Revolution.
Noch ist es aber nicht so weit. Das Forscherteam um James Analytis will nun neue Stoffe für weitere Studien entwickeln und aus dem Material Geräte-Prototypen bauen. Die 3D-Elektrobahnen im Cadmiumarsenid seien nur der Anfang.
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