Spinströme aus Abwärme
Neue Erkenntnisse über die Umwandlung von Wärmeströmen in magnetische Spinwellen.
Spinwellen können in elektrisch nichtleitenden Materialien durch ein Temperaturgefälle entstehen und dann in einer benachbarten metallischen Schicht in elektrische Ströme umgewandelt werden. Das zeigen Untersuchungen eines internationalen Forscherteams. Das Prinzip bietet für die Zukunft neue Möglichkeiten, Abwärme rückzugewinnen und damit Prozesse energieeffizienter und umweltfreundlicher zu gestalten.
Abb.: Durch die thermische Anregung der drei magnetisch gekoppelten Untergitter, bestehend aus zwei Eisen-Gitter und einem Gadolinium-Gitter, kommt es zur Emission einer magnetischen Gitterschwingung, eines Magnons. (Bild: A. Kehlberger, U. Mainz)
Magnetische Spinwellen, auch Magnonen genannt, sind elementare magnetische Anregungen, durch die Drehimpuls und Energie und damit Informationen innerhalb von magnetischen Festkörpern transportiert werden können. Weil die Existenz der magnetischen Wellen an den Festkörper gekoppelt ist, lassen sich diese jedoch nur schwer nachweisen. Dem Forscherteam gelang es jetzt zu zeigen, dass auch in komplexen, aus mehreren magnetischen Atomsorten aufgebauten Materialien Magnonen durch Wärmetransport angeregt werden. Grundlage für den Nachweis bildet der Spin-Seebeck-Effekt, dessen Ursprung erst unlängst verstanden wurde. Die neuen Ergebnisse zeigen außerdem, dass es durch den Spin-Seebeck-Effekt möglich ist, fundamentale Eigenschaften des Systems auf einfache Weise zu erfassen und das komplexe Wechselspiel der einzelnen magnetischen Unterstrukturen zu bestimmen.
Der Spin-Seebeck-Effekt stellt einen Spin-thermoelektrischen Effekt dar, der es möglich macht, sogar in elektrisch nichtleitenden Materialien thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Im Gegensatz zu konventionellen thermoelektrischen Effekten kann damit in magnetischen Isolatoren, die mit einer dünnen Metallschicht kombiniert werden, Wärmeenergie rückgewonnen werden. Forschern der Uni Mainz war es vor kurzer Zeit gelungen, den Ursprung des Effekts auf die thermisch angeregten magnetischen Wellen in Festkörpern, also die Magnonen, zurückzuführen. Basierend auf dieser Erkenntnis haben die Wissenschaftler nun neue Untersuchungen an komplexeren magnetischen Materialien, kompensierten Ferrimagneten, durchgeführt. Temperaturabhängige Untersuchungen dieser Materialien mittels des Spin-Seebeck-Effekts offenbarten ein einzigartiges und somit charakteristisches Signalverhalten, das neue Erkenntnisse über die dem Effekt zugrundeliegenden Magnonen und deren Verteilung liefert.
JGU / RK
