Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spinströme aus Abwärme: Forscherteam legt neue Erkenntnisse über magnetische Spinwellen vor

10.02.2016

Grundlagen der Umwandlung von Wärmeströmen in magnonische Spinströme verstanden – Untersuchung an komplexen magnetischen Materialien

Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, neue Erkenntnisse über magnetische Spinwellen zu erhalten. Die Spinwellen können in elektrisch nichtleitenden Materialien durch ein Temperaturgefälle entstehen und dann in einer benachbarten metallischen Schicht in elektrische Ströme umgewandelt werden.


Durch die thermische Anregung der drei magnetisch gekoppelten Untergitter, bestehend aus zwei Eisen-Gitter (Fe) und einem Gadolinium-Gitter (Gd), kommt es zur Emission einer magnetischen Gitterschwingung, eines Magnons.

Abb./©: Andreas Kehlberger, JGU

Aus Wärme kann somit elektrische Energie entstehen. Das Prinzip, das erst vor kurzer Zeit entschlüsselt wurde, bietet für die Zukunft neue Möglichkeiten, Abwärme rückzugewinnen und damit Prozesse energieeffizienter und umweltfreundlicher zu gestalten.

An dem gemeinsamen Forschungsprojekt sind Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Walther-Meißner-Instituts (WMI) in Garching, der Tohoku University, Japan, und der Delft University of Technology, Niederlande, beteiligt. Die Forschungsarbeit wurde im Fachmagazin Nature Communications publiziert.

Magnetische Spinwellen, auch Magnonen genannt, sind elementare magnetische Anregungen, durch die der Drehimpuls und Energie und damit Informationen innerhalb von magnetischen Festkörpern transportiert werden können. Weil die Existenz der magnetischen Wellen an den Festkörper gekoppelten ist, lassen sich diese jedoch nur schwer nachweisen.

In dem gemeinsamen Projekt konnten die Forscher 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 ebenfalls erst vor Kurzem 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 sogenannten 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 JGU 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 beteiligten Wissenschaftler nun neue Untersuchungen an komplexeren magnetischen Materialien, sogenannten 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.

„Als ich zum ersten Mal unsere komplexen Messdaten gesehen habe, hätte ich nicht für möglich gehalten, wie viele Informationen wir über das umfassende Wechselspiel innerhalb des Materials gewinnen können. All dies war nur durch die gute Zusammenarbeit mit unseren nationalen und internationalen Kollegen möglich“, betont Andreas Kehlberger, Mitarbeiter in der Forschergruppe von Univ.-Prof. Dr. Mathias Kläui, der kürzlich seine Promotion als Stipendiat der Exzellenz-Graduiertenschule „Materials Science in Mainz" (MAINZ) an der JGU abgeschlossen hat.

„Ich freue mich, dass dieses spannende Ergebnis in Zusammenarbeit zwischen einem Doktoranden der Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz in meiner Gruppe und Kollegen aus Garching, mit denen wir im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms ‚Spin Caloric Transport‘ kollaborieren, entstanden ist", so Mathias Kläui, Direktor der Exzellenz-Graduiertenschule MAINZ. „Es zeigt, dass komplexe Forschung erst in Teams möglich wird – bestenfalls gefördert, wie in diesem Fall durch das DAAD SpinNet-Austauschprogramm mit der Tohoku Universität."

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. Einer der Forschungsschwerpunkte ist die Spintronik, wobei die Zusammenarbeit mit führenden internationalen Partnern eine wichtige Rolle spielt.

Veröffentlichung:
Stephan Geprägs et al.
Origin of the spin Seebeck effect in compensated ferrimagnets
Nature Communications, 4. Februar 2016
DOI: 10.1038/ncomms10452


Weitere Informationen:
Univ.-Prof. Dr. Mathias Kläui
Theorie der kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23633
E-Mail: klaeui@uni-mainz.de
http://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/308.php

Exzellenz Graduiertenschule Materials Science in Mainz
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-26984
Fax +49 6131 39-26983
E-Mail: mainz@uni-mainz.de
http://www.mainz.uni-mainz.de/

Weitere Links:
http://www.nature.com/ncomms/2016/160204/ncomms10452/full/ncomms10452.html (Article)
http://www.phmi.uni-mainz.de/9955.php (Pressemitteilung „Hinweise auf Ursprung des Spin-Seebeck-Effekts entdeckt“)
http://www.spinnet.uni-mainz.de (Homepage des SpinNet-Projektes zwischen JGU, Tohoku University, Stanford University und IBM)

Petra Giegerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Tauchgang in einen Magneten
20.07.2017 | Paul Scherrer Institut (PSI)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Im Focus: Das Proton präzise gewogen

Wie schwer ist ein Proton? Auf dem Weg zur möglichst exakten Kenntnis dieser fundamentalen Konstanten ist jetzt Wissenschaftlern aus Deutschland und Japan ein wichtiger Schritt gelungen. Mit Präzisionsmessungen an einem einzelnen Proton konnten sie nicht nur die Genauigkeit um einen Faktor drei verbessern, sondern auch den bisherigen Wert korrigieren.

Die Masse eines einzelnen Protons noch genauer zu bestimmen – das machen die Physiker um Klaus Blaum und Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

Technologietag der Fraunhofer-Allianz Big Data: Know-how für die Industrie 4.0

18.07.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - September 2017

17.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

1,4 Millionen Euro für Forschungsprojekte im Industrie 4.0-Kontext

20.07.2017 | Förderungen Preise

Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen

20.07.2017 | Physik Astronomie

Bildgebung von entstehendem Narbengewebe

20.07.2017 | Biowissenschaften Chemie