Man könnte glauben, Wärme sei etwas Einfaches: Je heißer ein Material, umso heftiger bewegen sich die Atome. Wenn Atome wackeln, regen sie auch die Nachbaratome zum Wackeln an und die Wärme breitet sich aus. Doch wenn man die Ausbreitung von Wärme auf mikroskopischer Ebene genau vorhersagen möchte, wird die Sache kompliziert. Die mathematischen Gleichungen, mit denen man das Zusammenspiel der Teilchen berechnet, stellen selbst die größten Supercomputer vor kaum lösbare Probleme.

Jesús Carrete Montaña forscht in der Arbeitsgruppe von Prof. Georg Madsen am Institut für Materialchemie an Computermethoden zur Berechnung von Wärmeausbreitung auf Quanten-Ebene. Dafür wurde er nun von der der International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) mit dem diesjährigen "Young Scientist Award" in der Kategorie "Computational Physics" ausgezeichnet.

Mikrochips und Batterien: Wie viel Wärme ist erlaubt?

Für unsere Technologie spielt Wärmeausbreitung eine ganz entscheidende Rolle: Egal ob Mikrochip, Batterie oder Photovoltaik-Element – die Effizienz und die Lebensdauer solcher Produkte hängt empfindlich von der Temperatur ab. "Wenn ein Transistor um einige Grad heißer wird als gedacht, kann das bereits dazu führen, dass er einen beträchtlichen Teil seiner Lebensdauer verliert", erklärt Jesús Carrete Montaña. "Versucht man den Wärmetransport durch solche Bauteile mit herkömmlichen, einfachen Modellen vorherzusagen, liegt man oft völlig falsch. Wir brauchen daher exakte Simulationen, um den Wärmetransport auf quantenmechanischer Ebene genau zu verstehen."

Besonders in komplizierteren Materialien ist das schwierig – etwa, wenn man berücksichtigen muss, dass die Bauteile nicht aus perfekten Kristallen bestehen, sondern kleine Fehler beinhalten, die für die Wärmeausbreitung eine entscheidende Rolle spielen können.

Seit vielen Jahren wird an der TU Wien mit großem Erfolg Computersoftware entwickelt, mit der man materialwissenschaftliche Fragen auf fundamentaler Teilchenebene beantworten kann. Einige dieser Programmpakete werden mittlerweile auf der ganzen Welt genutzt. Nach dieser Tradition gelang es Jesús Carrete, das Programm "almaBTE" zu entwickeln, das sich speziell zum Berechnen der Wärmeausbreitung nutzen lässt.

Für seine Leistungen wurde er von der der International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) mit dem diesjährigen Young Scientist Prize ausgezeichnet. Verbunden mit diesem Preis ist auch ein Plenarvortrag auf der IUPAP-Konferenz  2019 in Hong Kong.

Spanien, Frankreich, Österreich

Jesús Carrete Montaña studierte Physik an der Universität von Santiago de Compostela. 2007 wurde er vom spanischen Bildungsministerium als bester Bachelor-Absolvent seiner Disziplin ausgezeichnet. Seinen Master in Materialwissenschaft schloss er 2012 mit Auszeichnung ab, auch für seine Dissertation wurde er prämiert. Als Postdoc ging er danach an das Laboratory for Innovation in New Energy Technologies and Nanomaterials (LITEN) in Grenoble, 2016 wechselte er schließlich als Senior Scientist ans Institut für Materialchemie an der TU Wien.