»Thermo-Spintronik« Abwärme soll Strom ersetzen

In nicht allzu weit entfernter Zeit sollen elektronische Geräte wie PCs ihr eigenes Kraftwerk bekommen können, das Teile des Geräts aus der eigenen Verlustwärme speist.

Was sich anhört wie ein Perpetuum Mobile, basiert auf einer Entdeckung, die Forscher der US-amerikanischen Universitäten in Santa Barbara (UCSB, Kalifornien) und Ohio an einem besonderen Halbleiterwerkstoff gemacht haben.

Das Material nennt sich Gallium-Mangan-Arsenid und ist in der Lage, Wärmequanten in ein quantum-mechanisches Phänomen zu verwandeln, das man als »Spin« (Eigendrehimpuls) bezeichnet. Den Wissenschaftszweig, der sich hiermit befasst, nennt man »Spintronik«.

Professor David Awschalom, Professor für Physik und in Santa Barbara und Direktor des UCSB-Zentrum für Spintronik hat das Material zusammen mit einem Studienabsolventen in einem Einkristall auf Dünnfilm aufgebracht. Gleichzeitig interpretierte er Ergebnisse von Experimenten, die Kollegen in Ohio vorgenommen hatten. Dort hat ein Team unter Assistent-Professor Robert Myers thermoelektrische Technologie mit Spintronik zusammengeführt. Die daraus entstandene Technologie nennt man »Thermo-Spintronik«. Sie ist in der Lage, Wärme in einen Eigendrehimpuls des Elektrons zu verwandeln.

Wärme als Energiequelle für ICs

Die Ergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass man integrierte Schaltkreise so bauen kann, dass sie nicht mit elektrischem Strom sondern Wärme als Energiequelle arbeiten können. Awschalom: »Unsere kombinierten Fähigkeiten, magnetische Halbleiter auf Atomniveau und die hierfür nötige Messtechnik zu bauen, hat Ergebnisse gezeitigt, die eine große Auswirkung auf künftige spintronische Bauelemente haben könnten.«

Die Forscher sind nicht allein. Weltweit arbeiten viele Teams an Elektronikschaltkreisen, die den Spin von Elektronen nutzen könnten um Daten zu speichern und auszulesen. Spintronik hätte den Vorteil eines geringeren Platz-, Zeit- und Energiebedarfs. Vorstellbar wäre also, dass man spintronische Speicherbauelemente künftig auf einem herkömmlichen Prozessor montiert, so dass diese die Abwärme dieses Wirtes zum Speichern und Auslesen nutzen. Roberto Myers räumt allerdings ein, dass es noch lange dauern kann, ehe solche Anwendungen kommerziell verfügbar sind.

Wärme treibt Elektronen-Drehmoment

Spintronik nutzt einen seit zwei Jahren bekannten Effekt, den man als »Spin-Seebeck-Effekt« bezeichnet. Forscher der Universität Tohoku entdeckten ihn 2008. Man wusste zuvor schon lange, dass ein Wärmegradient an der Kontaktstelle zwischen zwei Metallen zu einem Potenzialsprung führen kann. Dies ist der Seebeck-Effekt. Neu ist die Feststellung, dass Wärme in der Lage ist, unter bestimmten Bedingungen das Drehmoment eines Elektrons zu verändern.