Einblick in den Spin-Seebeck-Effekt

Die Rückgewinnung von Abwärme ist eine große Herausforderung unserer Zeit, denn so lassen sich viele Prozesse energieeffizienter und umwelt­freundlicher gestalten. Der Spin-Seebeck-Effekt ist ein neuartiger, bisher nur rudimentär verstandener Effekt, der es ermöglicht, sogar in elektrisch nichtleitenden Materialien einen Wärmefluss in elektrische Energie zu konvertieren. Einem internationalen Forscherteam gelang es nun, Hinweise auf den Ursprung des Spin-Seebeck-Effekts zu entdecken. Durch die gezielte Untersuchung der Material- und Temperaturabhängigkeit des Effekts konnten die Wissenschaftler zeigen, dass er eine charakteristische Längenskala aufweist, die auf seinen magnetischen Ursprung zurückzuführen ist. Diese Erkenntnis erlaubt nun die Weiterentwicklung des lange umstrittenen Effekts für erste Anwendungen.

Beim Spin-Seebeck-Effekt handelt es sich um einen Spin-thermoelektrischen Effekt, der es ermöglicht, thermische Energie in elektrische Energie um­zu­wandeln. Im Gegensatz zu konventionellen thermoelektrischen Effekten ermöglicht er sogar die Rückgewinnung von Wärmeenergie in magnetischen Isolatoren kombiniert mit einer dünnen Metallschicht. Aufgrund dieser Tatsache wurde vermutet, dass thermisch angeregte magnetische Wellen der Ursprung des Effekts sind. Die bislang genutzte indirekte Messmethode durch eine zweite metallische Schicht, die die magnetischen Wellen in eine elektrisch nachweisbare Spannung konvertiert, erlaubte bisher keine ein­deutige Zuordnung der experimentell nachgewiesenen Signale.

Durch die Messung des Effekts für verschiedene Materialdicken über einen Bereich von wenigen Nanometern bis hin zu Mikrometern bei zusätzlich unterschiedlichen Temperaturen konnte n die Forscher ein charakteristisches Verhalten des Effekts nachweisen. So nimmt die Signalstärke für dünne Schichten mit der Dicke des Materials zu, saturiert jedoch bei ausreichender Dicke. In Kombination mit der nachgewiesenen Zunahme dieser kritischen Materialdicke für tiefere Temperaturen konnte das Team eine Überstimmung mit dem theoretischen Modell der thermisch ange­regten magnetischen Wellen aufzeigen. Mit diesen Ergebnissen haben die Forscher somit erstmals einen direkter Zusammenhang zwischen den vermuteten thermisch ange­regten magnetischen Wellen und dem Effekt nachgewiesen. „Das Ergebnis enthüllt einen wichtigen Baustein im Puzzle um das Verständnis des neuen komplexen Effekts", sagt Andreas Kehlberger von der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz.

JGU / RK