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Technische Universität Kaiserslautern

Ein neuer Weg, Wärmeausbreitung magnetisch zu steuern

Wenn man Materie Energie zuführt, erhitzt sie sich und die lokale Temperatur steigt an. Normalerweise breitet sich Energie dann von diesem erhitzten Bereich aus weiter: Wärme strömt gleichmäßig vom wärmeren zum kälteren Bereich. Im Allgemeinen ist es nicht möglich die Richtung dieser Wärmeleitung zu ändern.

Deutsche und japanische Wissenschaftler der Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Burkard Hillebrands (TU Kaiserslautern), Prof. Dr. Sadamichi Maekawa, Direktor des Advanced Science Research Center der japanischen Agentur JAEA, und Prof. Dr. Eiji Saitoh von der Tohoku Universität, Sendai, Japan stellen einen neues Verfahren vor, um Wärmeausbreitung zu kontrollieren. Hierzu nutzen sie Spinwellen, die sich in einem magnetischen Material ausbreiten können, ähnlich wie Schallwellen in Luft. Die Spinwellen haben Reichweiten von bis zu einigen Millimetern und lassen sich durch ein angelegtes Magnetfeld kontrollieren.

Die Wissenschaftler nutzten ein spezielles magnetisches Material, Yttrium Eisen Granat (YIG). Sie fanden heraus, dass durch lokale Bestrahlung mit Mikrowellen ein Bereich, welcher sich außerhalb der Bestrahlungszone befindet, kontrolliert erhitzt werden kann. Je nach Richtung eines von außen angelegten Magnetfeldes lässt sich der Ort des erhitzten Bereiches einstellen. Die Temperaturverteilung wird dabei in den Experimenten mit einer Infrarotkamera gemessen, welche die Wärmestrahlung detektiert und sichtbar macht. (siehe Abbildung).

Der Grund für das ungewöhnliche physikalische Verhalten ist eine bestimmte Art von Spinwellen, die durch die Mikrowellen angeregt werden. Diese Spinwellen breiten sich nur in eine Richtung auf einer Oberfläche der magnetischen Probe aus. Da Spinwellen während ihrer Ausbreitung zerfallen, wird ihre Energie in Wärme umgewandelt. Der entsprechende Temperaturanstieg wird mittels der Infrarotkamera aufgezeichnet. Die Ausbreitungsrichtung der Spinwellen hängt von der Richtung des angelegten Magnetfeldes ab und kann daher durch dieses eingestellt werden.

Die Ergebnisse der Arbeit eröffnen die Möglichkeit Spinwellen-basierte Hitzekontrolle zu entwickeln, um sie in „grünen“ Technologien anzuwenden. Eine direkte Anwendung ist beispielsweise die kontrollierte Leitung von Abwärme in elektronischen Geräten. Neben dem Potential zur Anwendung in magnetischen Bauteilen zur Manipulation der Wärmeausbreitung bieten die Ergebnisse wissenschaftlich hochinteressante Einblicke in die Wechselwirkung zwischen Spin und Wärme.

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Die Forschungsarbeit wurde kürzlich in dem Wissenschaftsjournal „Nature Materials“ veröffentlicht (Nature Materials, 2013, Online Veröffentlichung: 21. April 2013, 10.1038/NMAT3628).

(Technische Universität Kaiserslautern, 23.04.2013 – KSA)

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