Mikroprozessor-Abwärme in neue Bahnen lenken

Forschungsergebnisse des Verbundprojekts „SpinCat“ der Universitäten Göttingen, Gießen und Bielefeld.

Ein internationales Forscherteam mit Wissenschaftlern der Universitäten Göttingen, Bielefeld und Gießen sowie des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun eine neue Methode entwickelt, die Thermospannung der Elektronen in dem Tunnelelement – bekannt als Seebeck-Effekt – durch die Veränderung der Magnetisierung gezielt zu beeinflussen. So gelingt es, die Umwandlung der Wärme in elektrische Energie zu kontrollieren. Dies kann dazu beitragen, neuartige sparsame Mikroprozessoren zu entwickeln.

 

 Abb.: Mittels antiparalleler (AP) oder paralleler (P) Magnetisierung in einem magnetischen Tunnelelement lässt sich die Thermospannung schalten (Bild: U. Göttingen)

 

Elektronische Bauteile mit magnetischen Materialien – sie bestehen aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine dünne Oxidschicht mit nur wenigen Atomlagen getrennt sind – werden zum Beispiel für Festplatten als Lesekopf verwendet. Derzeit wird der Einsatz dieser magnetischen Tunnelelemente als nichtflüchtiges Speicherelement in Prozessoren erforscht, die Informationen bleiben ohne Stromversorgung erhalten. Mittels der Spinkaloritronik gelingt es nun, die Umwandlung der Wärme in elektrische Energie zu kontrollieren.

Neue Effekte entstehen durch Verschmelzung der Gebiete der Spinelektronik und der Energieumwandlung in neuartigen Materialien. Ein japanisches Forscherteam hat kürzlich gezeigt, dass durch Tunnelbarrieren thermische Spininjektion in den Halbleiter Silizium möglich ist.

Das deutsch-amerikanische Forscherteam hat magnetische Tunnelelemente mit Laserimpulsen aufgeheizt und dabei einen neuartigen Effekt gefunden: Bei dem Spintransport durch die dünne Oxidschicht (Tunnelbarriere), die die aufgeheizten Elektronen durchqueren, entsteht direkt eine Thermospannung. Diese konnten sie absenken oder erhöhen, indem sie die Magnetisierung veränderten. So beeinflussten sie die Thermospannung des gesamten magnetischen Tunnelelements. Sie sagen voraus, dass eine Änderung der Thermospannung von bis zu 1000 Prozent möglich ist. Der neu entdeckte Effekt des Schaltens der Thermospannung in magnetischen Tunnelelementen bekam den Namen Magneto-Seebeck-Effekt .

Die gemeinsame Forschung der Arbeitsgruppen an den drei deutschen Universitäten wird seit Juli 2011 im Rahmen eines neuen Schwerpunktprogramms „Spin Caloric Transport (SpinCat) – SPP 1538“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit über einer Millionen Euro gefördert.

U. Göttingen / OD