Stromerzeugung mit dem Spin-Seebeck-Effekt

Thermisch angeregte magnetische Wellen führen zum Spin-Seebeck-Effekt und ermöglichen die thermoelektrischeGewinnung elektrischer Energie. (Bild: Kehlberger et al. / APS)

Thermisch angeregte magnetische Wellen führen zum Spin-Seebeck-Effekt und ermög­lichen die thermo­elek­tri­sche Gewin­nung elek­tri­scher Energie. (Bild: Kehlberger et al. / APS)

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, wenn diese mit einer dünnen Metallschicht kombiniert sind. Aufgrund dieser Tatsache wurde vermutet, thermisch angeregte magnetische Wellen seien der Ursprung des Effekts. Die bislang genutzte indirekte Messmethode durch eine zweite metallische Schicht, die die magnetischen Wellen in eine elektrisch nachweisbare Spannung konvertiert, erlaubte bisher jedoch 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 konnten 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 Uni Mainz. (Quelle: JGU / pro-physik.de)

Referenz: A. Kehlberger et al.: Length Scale of the Spin Seebeck Effect, Phys. Rev. Lett. 115, 096602 (2015); 10.1103/PhysRevLett.115.096602

Link: Nanostrukturphysik (M.Kläui), Institut für Physik, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz

 

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