Im Kern des Magneten

Magnetische Nanostrukturen – genauer: das Wechselspiel zwischen Ladung, Spin und Stromfluss in Abhängigkeit eines Temperatur­gradienten bei solchen Strukturen – sind das Thema eines schnell wachsenden Forschungs­gebietes namens Spin-Kaloritronik, das bereits mit einer ganzen Reihe von neu entdeckten, interessanten Effekten und vielversprechenden Anwendungen aufwarten kann. In der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ist es jetzt zum ersten Mal gelungen, die thermo­elektrischen Eigenschaften einer einzelnen magnetischen Domänenwand zu messen. Da magnetische Domänenwände in allen makroskopischen und nanoskaligen magnetischen Materialien und Bauteilen auftreten, ist die Tatsache, dass sich nun neben den magnetischen und elektrischen Eigenschaften auch erstmals die thermo­elektrischen Eigenschaften dieser grundlegenden magnetischen Strukturen erfassen und beschreiben lassen, für eine ganze Reihe von Anwendungen von Bedeutung.

Bereits im Jahre 1821 entdeckte der Physiker Thomas Johann Seebeck, dass ein Temperatur­unterschied zwischen den Enden eines metallischen Drahtes zu einer elektrischen Spannung zwischen der Drahtenden führt. Diesen sogenannte Seebeck-Effekt nutzt man heute etwa in Thermo­elementen für die direkte Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie. Die Größe der erzeugten elektrischen Spannung hängt dabei nicht nur von den elektrischen, sondern auch von den magnetischen Eigenschaften des Materials ab. So ändert sich in einem ferro­magnetischen Metall der Seebeck-Koeffizient bei Drehung der Magnetisierung in einem externen Magnetfeld. Dieses Verhalten ist auch als Magneto-Seebeck-Effekt bekannt.

In der PTB wurden nun erstmals die thermoelektrischen Eigenschaften einzelner magnetischer Nanodrähte detailliert unter die Lupe genommen. Stoßen in einem magnetischen Nanodraht zwei Bereiche mit unterschiedlich ausgerichteter Magnetisierung aneinander, so entsteht im Grenzbereich eine magnetische Domänenwand. Die An- oder Abwesenheit der Domänenwand macht sich dabei durch eine Änderung des elektrischen Widerstandes des Drahtes bemerkbar, die man über elektrische Kontakte messen kann.

In den neuen Untersuchungen konnten die Forscher nun erstmals zeigen, dass die An- oder Abwesenheit der Domänenwand auch zu einer messbaren Änderung der von dem Draht erzeugten Thermospannung führt. Dafür wurde in den Experimenten die eine Seite des Drahtes mit einem elektrischen Heizer erwärmt und über zwei Kontakte die Seebeck-Spannung gemessen. Eine Einkerbung des Drahtes erlaubte es, zwischen den Kontakten genau eine einzelne magnetische Domänenwand einzufangen und den daraus resultierenden Unterschied der Seebeck-Spannung zu bestimmen. Dabei zeigte sich, dass der Domänenwand-Magneto-Seebeck-Effekt zu einer Erhöhung der insgesamt gemessenen Thermospannung des Nanodrahtes führte.

PTB / DE