Neues Material pulverisiert Kupfer bei der Wärmeleitung

Kupfer verliert seinen Spitzenplatz: UCLA-Forschende messen bei Tantalnitrid etwa 1.100 Watt pro Meter-Kelvin. Die Entdeckung könnte Thermomaterialien für Chips und KI neu definieren.

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der UCLA Samueli School of Engineering hat ein metallisches Material mit der bislang höchsten gemessenen Wärmeleitfähigkeit unter Metallen entdeckt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Demnach erreicht metallisches Tantalnitrid in der sogenannten Theta-Phase eine Wärmeleitfähigkeit von rund 1.100 W/mK. Damit leitet das Material Wärme nahezu dreimal effizienter als Kupfer oder Silber – die bislang leistungsfähigsten konventionellen Metalle in diesem Bereich. Kupfer, das derzeit etwa 30 % des globalen Kühlkörpermarkts ausmacht, kommt auf rund 400 W/mK.

Bedeutung für Elektronik und KI-Systeme

Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt, wie effektiv ein Material Hitze transportiert. In elektronischen Bauteilen ist sie entscheidend, um lokale Hotspots abzuführen, die Leistung, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz begrenzen. Nach Angaben des Teams stoßen etablierte Metalle angesichts steigender Leistungsdichten – etwa in Chips und KI-Beschleunigern – zunehmend an physikalische Grenzen.

Das neu identifizierte Theta-Tantalnitrid setzt hier einen neuen Referenzwert. Grundlage ist eine besondere atomare Struktur, bei der Tantal- und Stickstoffatome hexagonal angeordnet sind. Theoretische Modelle hatten bereits ungewöhnlich effizienten Wärmetransport vorhergesagt.

Messungen mit Röntgenstrahlen und Laserpulsen

Bestätigt wurde die außergewöhnliche Leitfähigkeit mit mehreren experimentellen Verfahren, darunter synchrotronbasierte Röntgenstreuung und ultraschnelle optische Spektroskopie. Die Messungen zeigten extrem schwache Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Phononen – also Gitterschwingungen –, wodurch Wärme deutlich freier fließen kann als in klassischen Metallen.

Beteiligt waren neben UCLA Forschende des Argonne National Laboratory, des Lawrence Berkeley National Laboratory, der Tohoku University sowie des UC Irvine Materials Research Institute.

Breites Anwendungsspektrum erwartet

Über Mikroelektronik und KI-Hardware hinaus sehen die Forschenden mögliche Auswirkungen auf Rechenzentren, Luft- und Raumfahrtsysteme sowie entstehende Quantenplattformen – überall dort, wo Wärmemanagement zunehmend zum limitierenden Faktor wird.

Finanziert wurde die Arbeit unter anderem vom U.S. Department of Energy und der National Science Foundation. Rechenressourcen stellte unter anderem das Pittsburgh Supercomputing Center bereit.