News: Spinkühlung
Elektrischer Strom kühlt und wärmt je nach Bedarf. Umgekehrt lässt sich aus Wärme auch direkt Strom erzeugen. Offenbar kommt dem Elektronenspin dabei eine besondere Rolle zu.
© (Ausschnitt)
Im Jahre 1834 entdeckte der französische Uhrmacher und Physiker Jean Charles Athanase Peltier, dass eine elektrische Spannung nicht nur Ladungen durch einen Leiter wandern lässt, sondern auch für Wärmetransport sorgt. Zwar ist dieser in der Regel nicht sonderlich groß, aber er reicht gerade aus, um beispielsweise einen Prozessor zu kühlen.
So richtig zufrieden sind Wissenschaftler damit allerdings noch nicht. Ihnen schwebt ein Material vor, das noch effizienter kühlt oder umgekehrt Wärme wirkungsvoll in elektrischen Strom wandelt. Und so stellten Forscher vor wenigen Jahren fest, dass sich solche Peltier- oder Thermoelemente besonders gut aus Halbleitern herstellen lassen. Aber magnetische Cobaltoxide, wie beispielsweise das NaxCo2O4, bewiesen noch größere Thermokraft. Aber was bestimmt die thermoelektrischen Eigenschaften dieser Materialien?
Schon seit den siebziger Jahren haben Physiker den Spin – anschaulich so etwas wie eine Drehung um sich selbst – der Elektronen im Verdacht, zuweilen einen erheblichen Beitrag zur Thermokraft zu leisten. Doch beweisen konnten sie das bislang nicht. NaxCo2O4 hat einige "recht ungewöhnliche magnetische Eigenschaften", schreibt Cronin Vining, der mit seinem Projekt ZT Services als Experte für thermoelektrische Materialien gilt. Anders als bei vielen anderen Magneten, sei der Spin der Elektronen bei der Cobaltoxid-Verbindung nicht an bestimmte Atome im Kristallgitter gebunden und könne stattdessen frei umherwandern. Und wenn sich die Spins bewegen, nehmen sie halt auch stets etwas Energie mit sich und sorgen auf diese Weise für Wärmetransport – so zumindest die Theorie.
Yayu Wang und seine Kollegen von der Princeton University suchten nun die experimentelle Bestätigung für dieses Modell und machten sich daran, sowohl die Thermokraft als auch die Magnetisierung im Magnetfeld der magnetischen Cobaltoxid-Verbindung zu untersuchen.
Tatsächlich gelang den Forschern ihr Vorhaben, indem sie den Elektronenspins einfach ihre Freiheit entzogen. Das ging erstaunlich einfach. Alles, was es dazu brauchte, war ein starkes Magnetfeld, das die Spins ausrichtete und ihnen so die Möglichkeit nahm, aus der Reihe zu tanzen. Und siehe da, die Thermokraft nahm dramatisch ab.
Schon jetzt zählen die magnetischen Cobaltoxide zu den besten Peltier- und Thermoelementen, aber eventuell lässt sich das noch ausbauen – oder wie Vining meint: "Vielleicht lässt sich mit diesen Oxiden weiterer Forschritt erzielen, wenn die Rolle des Spins besser verstanden ist."
So richtig zufrieden sind Wissenschaftler damit allerdings noch nicht. Ihnen schwebt ein Material vor, das noch effizienter kühlt oder umgekehrt Wärme wirkungsvoll in elektrischen Strom wandelt. Und so stellten Forscher vor wenigen Jahren fest, dass sich solche Peltier- oder Thermoelemente besonders gut aus Halbleitern herstellen lassen. Aber magnetische Cobaltoxide, wie beispielsweise das NaxCo2O4, bewiesen noch größere Thermokraft. Aber was bestimmt die thermoelektrischen Eigenschaften dieser Materialien?
Schon seit den siebziger Jahren haben Physiker den Spin – anschaulich so etwas wie eine Drehung um sich selbst – der Elektronen im Verdacht, zuweilen einen erheblichen Beitrag zur Thermokraft zu leisten. Doch beweisen konnten sie das bislang nicht. NaxCo2O4 hat einige "recht ungewöhnliche magnetische Eigenschaften", schreibt Cronin Vining, der mit seinem Projekt ZT Services als Experte für thermoelektrische Materialien gilt. Anders als bei vielen anderen Magneten, sei der Spin der Elektronen bei der Cobaltoxid-Verbindung nicht an bestimmte Atome im Kristallgitter gebunden und könne stattdessen frei umherwandern. Und wenn sich die Spins bewegen, nehmen sie halt auch stets etwas Energie mit sich und sorgen auf diese Weise für Wärmetransport – so zumindest die Theorie.
Yayu Wang und seine Kollegen von der Princeton University suchten nun die experimentelle Bestätigung für dieses Modell und machten sich daran, sowohl die Thermokraft als auch die Magnetisierung im Magnetfeld der magnetischen Cobaltoxid-Verbindung zu untersuchen.
Tatsächlich gelang den Forschern ihr Vorhaben, indem sie den Elektronenspins einfach ihre Freiheit entzogen. Das ging erstaunlich einfach. Alles, was es dazu brauchte, war ein starkes Magnetfeld, das die Spins ausrichtete und ihnen so die Möglichkeit nahm, aus der Reihe zu tanzen. Und siehe da, die Thermokraft nahm dramatisch ab.
Schon jetzt zählen die magnetischen Cobaltoxide zu den besten Peltier- und Thermoelementen, aber eventuell lässt sich das noch ausbauen – oder wie Vining meint: "Vielleicht lässt sich mit diesen Oxiden weiterer Forschritt erzielen, wenn die Rolle des Spins besser verstanden ist."
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