Dem Spin-Seebeck-Effekt auf der Spur

Thermoelektrische Effekte sind ein wesent­licher Bau­stein für die Konzep­tion und Weiter­ent­wicklung neu­artiger Prozesse zur Infor­mations­ver­arbeitung. Sie ermög­lichen die Wieder­auf­bereitung der aus anderen Prozessen gewon­nenen Abwärme zum Betrieb ent­sprechender Bau­elemente und tragen daher dazu bei, sowohl energie­effi­zientere als auch umwelt­freund­lichere Prozesse zu etab­lieren. Ein in den letzten Jahren promi­nent gewordener, viel­ver­sprechender Vertreter dieser Effekt­kategorie ist der Spin-Seebeck-Effekt, der Abwärme in einen Spin­strom um­wandelt und somit den Trans­port von Energie und Infor­ma­tionen in magne­tischen, elek­trisch iso­lierenden Materi­alien ermög­licht.

Forscher der Uni Mainz gelang es jetzt, wesent­liche Eigen­schaften dieses bisher nicht voll­ständig ver­stan­denen Effekts auf­zu­decken. Die gewon­nenen Kennt­nisse tragen dazu bei, die grund­legenden Pro­zesse dieses Effekts besser zu verstehen und unter­stützen somit dessen Weiter­ent­wicklung für erste Anwen­dungen. Voran­ge­gangene Arbeiten der Mainzer Forscher in Zusammen­arbeit mit der Uni Konstanz und dem Massa­chusetts Institute of Techno­logy hatten bereits gezeigt, dass in magne­tischen Materi­alien durch ein ther­misches Ungleich­gewicht magne­tische Wellen ange­regt werden. Diese Magnonen trans­portieren sowohl Energie als auch Dreh­moment und können in einem an­gren­zenden, dünnen Metall­film ein Spannungs­signal er­zeugen.

Mithilfe von materialabhängigen Messungen über einen weiten Tempe­ratur­bereich, bei denen die Dicke des verwen­deten magne­tischen Mate­rials vari­iert wurde, konnte jetzt ein direkter Zusammen­hang zwischen der Aus­prägung dieses Spannungs­signals und den intrin­sischen Eigen­schaften von Magnonen identi­fi­ziert werden. Weiter­hin konnten die Forscher zeigen, dass die Tempe­ratur­ab­hängig­keit der Effi­zienz der Spannungs­erzeu­gung zusätz­lich von der atomaren Struktur der Grenz­fläche zwischen magne­tischem Material und Metall­film wesent­lich beein­flusst wird.

„Nach und nach werden die Fragen über die funda­men­talen Prozesse, die dem Spin-Seebeck-Effekt zu­grunde liegen, beant­wortet“, sagt Joel Cramer von der Uni Mainz. „Unsere Ergeb­nisse liefern einen wichtigen Beitrag für die Fort­ent­wicklung des auf­stre­benden Felds der Magnonen-Spin­tronik."

JGU / RK