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Ursprung des Spin-Seebeck-Effekts entdeckt

Der Spin-Seebeck-Effekt beschreibt die physikalische Möglichkeit, Abwärme in elektrische Energie zu konvertieren. Der bisher nur rudimentär verstandene Effekt konnte nun von einem Team von Physikern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), der Universität Konstanz, der TU Kaiserslautern und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA weiter entschlüsselt werden. Dies könnte die Grundlage für erste Praxisanwendungen des Spin-Seebeck-Effekts darstellen.

Einem  Team von Physikern u.a. der Uni Mainz ist es gelungen, den Spin-Seebeck-Effekt weiter zu entschlüsseln und so die Grundlage für praktische Anwendungen zu schaffen. (Foto: Thomas Hartmann)

Einem Team von Physikern u.a. der Uni Mainz ist es gelungen, den Spin-Seebeck-Effekt weiter zu entschlüsseln und so die Grundlage für praktische Anwendungen zu schaffen. (Foto: Thomas Hartmann)

Der Spin-Seebeck-Effekt stellt einen sogenannten Spin-thermoelektrischen Effekt dar, der es ermöglicht, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Im Gegensatz zu konventionellen thermoelektrischen Effekten ermöglicht dieser sogar die Rückgewinnung von Wärmeenergie in magnetischen Isolatoren kombiniert mit einer dünnen Metallschicht. Aufgrund dieser Tatsache wurde vermutet, dass thermisch angeregte magnetische Wellen der Ursprung des Effekts sind. Die aktuell genutzte indirekte Messmethode durch eine zweite metallische Schicht, die die magnetischen Wellen in eine elektrisch nachweisbare Spannung konvertiert, erlaubte bisher 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 konnte ein charakteristisches Verhalten des Effekts gefunden werden. 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 eine Überstimmung mit dem theoretischen Modell der thermisch angeregten magnetischen Wellen aufgezeigt werden. Mit diesen Ergebnissen konnte somit erstmals ein direkter Zusammenhang zwischen den vermuteten thermisch angeregten magnetischen Wellen und dem Effekt nachgewiesen werden.

Die Entdeckung dieser charakteristischen Längenskala des Spin-Seebeck-Effekts stelle laut Andreas Kehlberger, Physik-Doktorand an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, einen wichtigen Baustein im Puzzle um das Verständnis dieses neuen komplexen Effekts dar. „Ich freue mich, dass dieses spannende Ergebnis in Zusammenarbeit zwischen einem Doktoranden der Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz in meiner Gruppe und Mitarbeitern aus Kaiserslautern sowie Kollegen aus Konstanz, mit denen wir im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 'Spin Caloric Transport' kollaborieren, entstanden ist“, so Univ.-Prof. Dr. Mathias Kläui, Direktor der Exzellenz-Graduiertenschule MAINZ. „Es zeigt, dass komplexe Forschung erst in Teams – bestenfalls gefördert wie in diesem Fall beispielsweise auch durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Mainz-MIT Seed Fund – möglich wird.“

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"Ursprung des Spin-Seebeck-Effekts entdeckt" wurde am 07.09.2015 verfasst