Internationales Forscherteam deckt grundlegende Eigenschaften des Spin-Seebeck-Effekts auf

Thermoelektrische Effekte sind ein wesentlicher Baustein für die Konzeption und Weiterentwicklung neuartiger Prozesse zur Informationsverarbeitung. Sie ermöglichen die Wiederaufbereitung der aus anderen Prozessen gewonnenen Abwärme zum Betrieb entsprechender Bauelemente und tragen daher dazu bei, sowohl energieeffizientere als auch umweltfreundlichere Prozesse zu etablieren. Ein in den letzten Jahren prominent gewordener, vielversprechender Vertreter dieser Effektkategorie ist der sogenannte Spin-Seebeck-Effekt, der Abwärme in einen Spinstrom umwandelt und somit den Transport von Energie und Informationen in magnetischen, elektrisch isolierenden Materialien ermöglicht. Physikern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es nun gelungen, wesentliche Eigenschaften dieses bisher nicht vollständig verstandenen Effekts aufzudecken. Die gewonnenen Kenntnisse tragen dazu bei, die grundlegenden Prozesse dieses Effekts besser zu verstehen und unterstützen somit dessen Weiterentwicklung für erste Anwendungen. Die Forschungsarbeit wurde im Fachmagazin Physical Review X publiziert.

Der Spin-Seebeck-Effekt fällt in die Kategorie der Spin-thermoelektrischen Effekte. Vorangegangene Arbeiten der Mainzer Physiker in Zusammenarbeit mit der Universität Konstanz und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben gezeigt, dass in magnetischen Materialien durch ein thermisches Ungleichgewicht magnetische Wellen (Magnonen) angeregt werden. Diese transportieren sowohl Energie als auch Drehmoment und können in einem angrenzenden, dünnen Metallfilm ein Spannungssignal erzeugen.

Mithilfe von materialabhängigen Messungen über einen weiten Temperaturbereich, bei denen die Dicke des verwendeten magnetischen Materials variiert wurde, konnte nun ein direkter Zusammenhang zwischen der Ausprägung dieses Spannungssignals und den intrinsischen Eigenschaften von Magnonen identifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Temperaturabhängigkeit der Effizienz der Spannungserzeugung zusätzlich von der atomaren Struktur der Grenzfläche zwischen magnetischem Material und Metallfilm wesentlich beeinflusst wird.

"Nach und nach werden die Fragen über die fundamentalen Prozesse, die dem Spin-Seebeck-Effekt zugrunde liegen, beantwortet. Unsere Ergebnisse liefern einen wichtigen Beitrag für die Fortentwicklung des aufstrebenden Felds der Magnon-Spintronics", so Joel Cramer, Koautor der Veröffentlichung und Stipendiat der Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ).

"Ich freue mich, dass wir in einer intensiven Zusammenarbeit mit Kollegen den Spintransport mit der mikroskopischen atomistischen Struktur korrelieren konnten. Die Zusammenarbeit mit den Kollegen in Glasgow hat schon zu mehreren gemeinsamen Publikationen geführt und ein reger Austausch mit führenden Gruppen aus dem Ausland ist eine der zentralen Maßnahmen in unserer Exzellenz-Graduiertenschule", betont Prof. Dr. Mathias Kläui, Direktor von MAINZ.

Die Graduiertenschule MAINZ wurde in der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder im Jahr 2007 bewilligt und erhielt in der zweiten Runde 2012 eine Verlängerung. Sie besteht aus Arbeitsgruppen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Technischen Universität Kaiserslautern und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz. Einer der Forschungsschwerpunkte ist die Spintronik, wobei die Zusammenarbeit mit führenden internationalen Partnern eine wichtige Rolle spielt.

Literatur
Er-Jia Guo et al., Influence of thickness and interface on the low-temperature enhancement of the spin Seebeck effect in YIG films,  Physical Review X 6, 031012 (2016), DOI: 10.1103/PhysRevX.6.031012

Quelle
Johannes Gutenberg-Universität Mainz