Energy Harvesting Elektronen reiten auf paramagnetischen Spinwellen

Magnonen – Wellen, die durch Spins einzelner Atome (graue Kegel) erzeugt werden – bewegen Elektronen (grüne Punkte) entlang eines Temperaturgradienten und erzeugen so Thermospannung (oben). Im paramagnetischen Zustand bilden lokale Temperaturschwankungen kleine Anhäufungen von Magnonen, die ebenfalls Elektronen bewegen können (Mitte). Klassische Paramagnete erzeugen keine solchen Bewegungen (unten).
Magnonen – Wellen, die durch Spins einzelner Atome (graue Kegel) erzeugt werden – bewegen Elektronen (grüne Punkte) entlang eines Temperaturgradienten und erzeugen so Thermospannung (oben). Im paramagnetischen Zustand bilden lokale Temperaturschwankungen kleine Anhäufungen von Magnonen, die ebenfalls Elektronen bewegen können (Mitte). Klassische Paramagnete erzeugen keine solchen Bewegungen (unten).

Aus Temperaturgradienten elektrische Energie zu gewinnen ist nicht neu. Doch nun hat ein internationales Forscherteam entdeckt, dass sich anders als vermutet auch paramagnetische Materialien dafür eignen. Dies könnte dem thermoelektrischen Energy Harvesting neue Impulse geben.

Bei Festkörpern mit magnetischen Ionen (z. B. Mangan) können thermische Störungen der Spins entweder aufeinander abgestimmt sein (bei ferromagnetischen oder antiferromagnetischen Materialien), oder eben nicht (bei paramagnetischen Materialien). Doch auch bei Paramagnetika sind solche Spins nicht vollkommen zufällig: Vielmehr bilden sie extrem kurzlebige, lokal geordnete Spinwellen mit kurzer Reichweite – sogenannte Paramagnone. Diese existieren nur für eine Femtosekunde (10-15 s) und erstrecken sich nur zwei bis vier Atome weit.

Nun konnten Forscher der North Carolina State University, des Oak Ridge National Laboratory (ORNL), der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Ohio State University nachweisen, dass sich trotz dieser Einschränkungen auch solche Paramagnone entlang einer Temperaturdifferenz bewegen und freie Elektronen mit sich führen können. Dadurch entsteht eine Thermospannung.

Dieser Effekt, den die Forscher »Paramagnon Drag Thermopower« (auf Deutsch vielleicht: paramagnonische Zug-Thermospannung) nennen, wandelt eine Temperaturdifferenz in eine elektrische Spannung um. Diese Entdeckung könnte zu einem effizienteren thermischen Energy Harvesting führen. So ließen sich etwa heiße Autoabgase nutzen, um daraus elektrische Energie zu gewinnen und so die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen, oder smarte Kleidung durch Körperwärme mit Energie zu versorgen.

In einer Machbarkeitsstudie beobachtete das Team, dass sich diese paramagnonische Thermospannung in Mangantellurid (MnTe) auch bei sehr hohen Temperaturen aufrechterhält. Die erzeugte Thermospannung war viel stärker als die, wozu Elektronenladungen alleine imstande wären. Dazu erwärmte das Forschungsteam lithiumdotiertes Mangantellurid auf etwa +250 °C über seine Néel-Temperatur (+34 °C) – die Temperatur, bei der die Spins ihre magnetische Ordnung verlieren und das Material paramagnetisch wird.

»Oberhalb der Néel-Temperatur sollte eigentlich die von den Spinwellen erzeugte Thermospannung abfallen«, erklärt Daryoosh Vashaee, Professor für Elektro- und Computertechnik sowie Materialwissenschaft an der NC State. »Aber der erwartete Rückgang blieb aus, und wir wollten wissen, warum.«

Am ORNL nutzte das Team die Neutronenspektroskopie an der Spallationsneutronenquelle, um festzustellen, was im Material geschieht. »Wir beobachteten, dass – obwohl es keine kontinuierlichen Spinwellen gab – lokale Ionenhaufen ihre Spins lange genug korrelierten, um messbare magnetische Schwankungen zu erzeugen«, berichtet Raphael Hermann, Materialwissenschaftler beim ORNL. Das Team zeigte, dass die Lebensdauer dieser Spinwellen mit etwa 30 Femtosekunden lang genug war, um Elektronenladungen zu verschieben, was nur etwa eine Femtosekunde erfordert. »Die kurzlebigen Spinwellen könnten also die Ladungen vor sich hertreiben und genügend Thermospannung erzeugen, um den vorhergesagten Abfall zu verhindern«, so Hermann.

»Vor dieser Untersuchung galt, dass Magnonen nur in magnetisch geordneten Materialien existieren könnten, nicht jedoch in paramagnetischen«, erklärt Joseph Heremans, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Ohio State University. »Da die besten thermoelektrischen Materialien Halbleiter sind und wir keinen ferromagnetischen Halbleiter bei Raumtemperatur oder darüber kennen, ahnten wir überhaupt nicht, dass Magnonenwellen den thermoelektrischen Wirkungsgrad in der Praxis erhöhen könnte. Diese Erkenntnis ändert alles. Nun gilt es, paramagnetische Halbleiter daraufhin zu untersuchen, und von denen gibt es jede Menge.«

»Als wir den plötzlichen Anstieg der Thermospannung unter und nahe der Néel-Temperatur beobachteten und diese Wertüberschreitung auf hohe Temperaturen ausgedehnt wurde, vermuteten wir, dass dies etwas mit den Spins grundsätzlich zu tun haben muss«, bemerkt Huaizhou Zhao, Professor an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking.

»Spins eröffnen ein neues Modell für die Thermoelektrizität, indem sie die grundlegenden Kompromisse entschärfen, die durch das Pauli-Verbot bei Elektronen entstehen«, sagt Vashaee. »Wie bei der Entdeckung des Spin-Seebeck-Effekts, der zu dem neuen Bereich der Spin-Kalorik führte, in dem der Spin-Drehimpuls auf die Elektronen übertragen wird, können sowohl die Spinwellen (d.h. Magnonen) als auch die lokalen Temperaturschwankungen der Magnetisierung im paramagnetischen Zustand (d.h. Paramagnonen) ihren linearen Impuls auf Elektronen übertragen und Thermokraft erzeugen.«

Originalpublikation

Yuanhua Zheng, et al., Paramagnon drag yields a high thermoelectric figure of merit in Li-doped MnTe, Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.aat9461