Spin-Strom aus Wärme: Neues Material für höhere Effizienz

Nr. 217 • 20. November 2017
Elektronische Geräte wie Computer erzeugen Wärme, die meist nicht genutzt wird. Physiker der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) haben in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen der Universitäten Bielefeld und Greifswald sowie des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden heraufgefunden, wie sie diese Energie nutzen können: Sie erzeugen mit Wärme magnetische Signale, bekannt als „Spin-Ströme“. Diese Signale könnten in Zukunft den elektrischen Strom in Elektronikbauteilen teilweise ersetzen. In einer neuen Studie haben die Physiker untersucht, welche Materialien aus Wärme möglichst effektiv diese Spin-Ströme erzeugen können. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt in der Zeitschrift „Nature Communications“.

Der Spin-Strom entsteht durch Temperaturunterschiede zwischen zwei Enden eines elektronischen Bauteils. Diese Bauteile sind extrem klein, nur einen Millionstel-Millimeter dünn. Sie bestehen aus magnetischen Materialien wie zum Beispiel Eisen, Kobalt oder Nickel, weshalb sie auch als magnetische Nanostrukturen bezeichnet werden.

Die Physiker nehmen zwei solcher Nano-Schichten und platzieren dazwischen eine nur wenige Atome dicke Lage aus Metalloxid. Eine der beiden Außenschichten erwärmen sie – zum Beispiel mit einem heißen Nano-Draht oder einem fokussierten Laser. Dadurch dringen insbesondere Elektronen mit einer bestimmten Spinausrichtung durch das Metalloxid, und es entsteht der Spin-Strom. Ein Spin ist vorstellbar als Drehung der Elektronen um ihre eigene Achse, entweder links- oder rechtsherum.

Ausgehend von theoretischen Betrachtungen der Gießener Physiker haben die experimentell arbeitenden Kollegen der anderen Standorte unterschiedliche Kombinationen aus ultradünnen Schichten untersucht. Dabei wurde jedes Mal eine der äußeren Schichten auf die gleiche Weise erwärmt. Die Ausbeute des Spin-Stroms ist dabei allerdings deutlich vom verwendeten Material abhängig, da diese eine deutlich unterschiedliche elektronische Struktur zeigen. „Diese Studie ist ein sehr schönes Beispiel, wie aus einer engen Kooperation zwischen theoretischer und experimenteller Physik neue Erkenntnisse gewonnen werden“, betont Prof. Dr. Heiliger vom Institut für Theoretische Physik der JLU. „Die Vorhersagen aus unseren theoretischen Betrachtungen, ausgehend von der elektronischen Struktur, konnten in den Experimenten bestätigt werden.“

Die Studie ist in Projekten des Schwerpunktprogramms „Spin Caloric Transport“ (SpinCaT) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) entstanden.  

• Publikation

Alexander Böhnke, Ulrike Martens, Christian Sterwerf, Alessia Niesen, Torsten Hübner, Marvin von der Ehe, Markus Meinert, Timo Kuschel, Andy Thomas, Christian Heiliger, Markus Münzenberg, Günter Reiss:  Large magneto-Seebeck effect in magnetic tunnel junctions with half-metallic Heusler electrodes. Nature Communications. http://doi.org/10.1038/s41467-017-01784-x, erschienen am 20. November 2017.

• Kontakt

Prof. Dr. Christian Heiliger, Institut für Theoretische Physik
Heinrich-Buff-Ring 16, 35392 Gießen
Telefon: 0641 99-33361

Pressestelle der Justus-Liebig-Universität Gießen, Telefon 0641 99-12041