03.05.2013

Technische Universität Kaiserslautern

Wärmeausbreitung magnetisch steuern

Wenn man Materie Energie zuführt, erhitzt sie sich und die lokale Temperatur steigt an. Normalerweise breitet sich Energie dann von diesem erhitzten Bereich aus weiter: Wärme strömt gleichmäßig vom wärmeren zum kälteren Bereich. Im Allgemeinen ist es nicht möglich die Richtung dieser Wärmeleitung zu ändern.

Deutsche und japanische Wissenschaftler der Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Burkard Hillebrands (TU Kaiserslautern), Prof. Dr. Sadamichi Maekawa, Direktor des Advanced Science Research Center der japanischen Agentur JAEA, und Prof. Dr. Eiji Saitoh von der Tohoku Universität, Sendai, Japan stellen einen neues Verfahren vor, um Wärmeausbreitung zu kontrollieren. Hierzu nutzen sie Spinwellen, die sich in einem magnetischen Material ausbreiten können, ähnlich wie Schallwellen in Luft. Die Spinwellen haben Reichweiten von bis zu einigen Millimetern und lassen sich durch ein angelegtes Magnetfeld kontrollieren.

Die Wissenschaftler nutzten ein spezielles magnetisches Material, Yttrium Eisen Granat (YIG). Sie fanden heraus, dass durch lokale Bestrahlung mit Mikrowellen ein Bereich, welcher sich außerhalb der Bestrahlungszone befindet, kontrolliert erhitzt werden kann. Je nach Richtung eines von außen angelegten Magnetfeldes lässt sich der Ort des erhitzten Bereiches einstellen. Die Temperaturverteilung wird dabei in den Experimenten mit einer Infrarotkamera gemessen, welche die Wärmestrahlung detektiert und sichtbar macht. (siehe Abbildung).

Der Grund für das ungewöhnliche physikalische Verhalten ist eine bestimmte Art von Spinwellen, die durch die Mikrowellen angeregt werden. Diese Spinwellen breiten sich nur in eine Richtung auf einer Oberfläche der magnetischen Probe aus. Da Spinwellen während ihrer Ausbreitung zerfallen, wird ihre Energie in Wärme umgewandelt. Der entsprechende Temperaturanstieg wird mittels der Infrarotkamera aufgezeichnet. Die Ausbreitungsrichtung der Spinwellen hängt von der Richtung des angelegten Magnetfeldes ab und kann daher durch dieses eingestellt werden.

Die Ergebnisse der Arbeit eröffnen die Möglichkeit Spinwellen-basierte Hitzekontrolle zu entwickeln, um sie in "grünen" Technologien anzuwenden. Eine direkte Anwendung ist beispielsweise die kontrollierte Leitung von Abwärme in elektronischen Geräten. Neben dem Potential zur Anwendung in magnetischen Bauteilen zur Manipulation der Wärmeausbreitung bieten die Ergebnisse wissenschaftlich hochinteressante Einblicke in die Wechselwirkung zwischen Spin und Wärme.

Die Forschungsarbeit wurde kürzlich in dem hochangesehenen Wissenschaftsjournal "Nature Materials" veröffentlicht: Unidirectional spin-wave heat conveyer by T. An, V. I. Vasyuchka, K. Uchida, A. V. Chumak, K. Yamaguchi, K. Harii, J. Ohe, M. B. Jungfleisch, Y. Kajiwara, H. Adachi, B. Hillebrands, S. Maekawa, and E. Saitoh (Nature Materials, 2013, Online Veröffentlichung: 21. April 2013, 10.1038/NMAT3628

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Prof. Dr. Burkard Hillebrands (Fachbereich Physik und Landesforschungszentrum OPTIMAS): hilleb@physik.uni-kl.de, Tel. +49 (0)631 205-4228 /-2202)

Legende zur Abbildung:
a) Skizze des experimentellen Aufbaus zur Beobachtung der Wärmeentwicklung durch Spinwellen in einer dünnen Schicht (Film) von Yttrium Eisen Granat (YIG). Mit einer Infrarot-Kamera, welche Hitzestrahlung detektiert, wird die Wärmeverteilung und damit der Wärmetransport durch Spinwellen gemessen.

b) Beobachteter Wärmetransport für Oberflächen-Spinwellen angeregt bei 7 GHz für entgegengesetzte Magnetfeld-Orientierungen. In der Mitte der Probe ist die Mikrowellenantenne zu erkennen. Die Richtung des angelegten Magnetfeldes ist durch einen roten Pfeil gekennzeichnet. Je nach Richtung des Magnetfeldes nach unten oder oben erfolgt der Wärmefluss nach rechts oder links, beobachtet als hellroter Fleck in den Bildern. Die Temperaturskala ist rechts angegeben. (Länge der Probe: 2,6 cm).

Quelle: