Die Ausbreitung von Hitze lässt sich magnetisch steuern
23. April 2013
Wissenschaftlern aus Deutschland und Japan ist es gelungen, die Verteilung von Wärme durch ein Magnetfeld zu beeinflussen. Das Team um die drei Professoren Burkard Hillebrands von der TU Kaiserslautern, Sadamichi Maekawa, Direktor des Advanced Science Research Center der japanischen Agentur JAEA, und Eiji Saitoh von der Tohoku Universität im japanischen Sendai nutzt eine bestimmte Art von Wellen, um diesen Effekt zu erzeugen. Diese auch Spinwellen genannten magnetischen Momente werden durch Mikrowellen angeregt und breiten sich in einem magnetischen Material aus, ganz ähnlich wie Schallwellen in der Luft. Dabei zerfallen sie und ihre Energie wird in Wärme umgewandelt.
Die Forscher haben jetzt einen Weg gefunden, die Verteilung der Wärme zu kontrollieren, indem sie diese zerfallende Spinwelle gezielt in ihrer Ausbreitung steuern. Die Wissenschaftler jagen diese von Mikrowellen angeregte Spinwelle durch ein spezielles magnetisches Material: Yttrium Eisen Granat (Yttrium Iron Gamet, YIG), ein künstlich hergestellter Granat, der so in der Natur nicht vorkommt. Granate umfassen eine ganze Gruppe gesteinsbildender Mineralien, die meist in einer rhombenähnlichen Form wachsen. Yttrium gehört zu den Seltenen Erden und ist so kryptisch benannt nach dem ersten Fundort, der Grube Ytterby bei Stockholm.
In der Kombination mit Eisen als Kristall mit Granatstruktur hergestellt, eignet sich dieser YIG besonders gut als Resonator für Frequenzen im Gigahertzbereich. Das ist der Bereich der Mikrowellen, die genau in diesem Frequenzbereich schwingen. Mikrowellen sind aus der Küche gut bekannt, sie bringen in dem salopp nur Mikrowelle genannten Mikrowellenherd die Wassermoleküle in Wallung und erhitzen so die Speisen auf dem Drehteller hinter der Glasscheibe.
Die besondere Affinität der Granatkristalle für diese Mikrowellen und dazu ihre speziellen magnetischen Eigenschaften nutzen die Forscher aus Deutschland und Japan aus, indem sie ein Mikrowellenfeld auf die YIG-Schicht einstrahlen. In dem jetzt im Wissenschaftsjournal „Nature Materials“ veröffentlichten Experiment schwingen die Mikrowellen mit sieben Gigahertz.
Spinwellen folgen der Ausrichtung eines Magnetfeldes wie ein dressierter Hund
Diese Mikrowellen erzeugen an der Oberfläche der Kristall-Granatstruktur ein magnetisches Moment, welches sich durch den Granat bewegt. Das ist die so genannte Spinwelle, weil diese magnetischen Momente vom Spin der Elektronen im Granat herrühren. Normalerweise breitet sich diese Spinwelle gleichmäßig im Granat aus, zerfällt während der Ausbreitung und erzeugt dabei die Wärme. In diesen physikalischen Prozess greifen die Forscher ein, indem sie in den künstlichen Granaten ein Magnetfeld induzieren.
Und unter dem Einfluss dieses Magnetfeldes reagiert die Spinwelle wie ein dressierter Hund und lässt sich gezielt steuern. Schalten die Forscher das Magnetfeld nach unten, wandert der Wärmefluss der zerfallenden Spinwelle nach rechts, schalten sie ihn nach oben, wandert er nach links. Mit dem Richtungswechsel im Magnetfeld ändert sich somit auch der Wärmetransport durch die Spinwellen im Granat. Die deutschen und japanischen Forscher können somit die Ausbreitung und die Verteilung der Wärme gezielt steuern. Die YIG-Probe ist klein, sie misst nur 2,6 Zentimeter. Das reicht aber aus, um das Prinzip der Wärmekontrolle durch ein Magnetfeld zu demonstrieren. Eine Infrarotkamera über der Probe zeichnet die Wärmeverteilung in dem Granat auf.
In Zukunft Spinwellen-basierte Hitzekontrolle in elektronischen Geräten
Das ist alles noch Grundlagenforschung und es dürfte auch noch ein weiter Weg zu einem Einsatz im Alltag sein. Aber denkbar als direkte Anwendung ist die kontrollierte Führung der Abwärme in elektronischen Geräten. Denn gerade in den immer kleiner werdenden Geräten kann unkontrollierte Abwärme große Probleme verursachen, weil viele der verbauten elektronischen Teile extrem wärmeempfindlich sind. Durch die Wechselwirkung zwischen Spin und Wärme können diese wärmeempfindlichen elektronischen Bauteile sehr gezielt geschützt werden. Was dazu führt, dass die elektronischen Geräte noch kleiner werden können. Der auf den dressierten Spinwellen basierten Hitzekontrolle sei Dank.
