Abwärme in Mikroprozessoren in neue Bahnen lenken

Schematische Darstellung des Schaltens der Thermospannung im magnetischen Tunnelelement durch antiparallele (AP) oder parallele (P) Magnetisierung. Bild: Universität Göttingen

Was passiert wenn man einen Magneten aufheizt? Wird ein Material erwärmt, entsteht durch den Temperaturunterschied der Elektronen eine elektrische Spannung, bekannt als Thermospannung oder Seebeck Effekt. Ein internationales Forscherteam mit Wissenschaftlern der Universitäten Göttingen, Bielefeld und Gießen sowie des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun eine neue Methode entwickelt, die Thermospannung der Elektronen in dem Tunnelelement durch die Veränderung der Magnetisierung gezielt zu beeinflussen. So gelingt es, die Umwandlung der Wärme in elektrische Energie zu kontrollieren. Dies kann dazu beitragen, neuartige sparsame Mikroprozessoren zu entwickeln.

Spinkaloritronik ist ein neues Forschungsgebiet: Was passiert wenn man einen Magneten aufheizt? Wird ein Material erwärmt, entsteht durch den Temperaturunterschied der Elektronen eine elektrische Spannung, bekannt als Thermospannung oder Seebeck Effekt. Elektronische Bauteile mit magnetischen Materialien – sie bestehen aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine dünne Oxidschicht mit nur wenigen Atomlagen getrennt sind – werden zum Beispiel für Festplatten als Lesekopf verwendet. Derzeit wird der Einsatz dieser magnetischen Tunnelelemente als nichtflüchtiges Speicherelement in Prozessoren erforscht, die Informationen bleiben ohne Stromversorgung erhalten. Ein internationales Forscherteam mit Wissenschaftlern der Universitäten Göttingen, Bielefeld und Gießen sowie des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA hat nun eine neue Methode entwickelt, die Thermospannung der Elektronen in dem Tunnelelement durch die Veränderung der Magnetisierung gezielt zu beeinflussen. So gelingt es, die Umwandlung der Wärme in elektrische Energie zu kontrollieren. Die Ergebnisse können dazu beitragen, in Zukunft neuartige sparsame Mikroprozessoren zu entwickeln. Sie werden am Sonntag, 24. Juli 2011 in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht.

Elementarteilchen, viele Atomkerne sowie Atome mit bestimmten Elektronenkonfigurationen besitzen einen sogenannten Spin, der die Rotation um die eigene Achse bezeichnet. Dies ermöglicht alternative, spinbasierte Wege in der elektronischen Datenverarbeitung, die „Spinelektronik“. Neue Effekte entstehen durch Verschmelzung der Gebiete der Spinelektronik und der Energieumwandlung in neuartigen Materialien. Ein japanisches Forscherteam hat kürzlich gezeigt, dass durch Tunnelbarrieren thermische Spininjektion in den Halbleiter Silizium möglich ist.

Das Forscherteam mit dem Göttinger Physiker Prof. Dr. Markus Münzenberg hat jetzt magnetische Tunnelelemente mit Laserimpulsen aufgeheizt und dabei einen neuartigen Effekt gefunden: Bei dem Spintransport durch die dünne Oxidschicht (Tunnelbarriere), die die aufgeheizten Elektronen durchqueren, entsteht direkt eine Thermospannung. Diese konnten sie absenken oder erhöhen, indem sie die Magnetisierung veränderten. So beeinflussten sie die Thermospannung des gesamten magnetischen Tunnelelements. Sie sagen voraus, dass eine Änderung der Thermospannung von bis zu 1.000 Prozent möglich sein wird. Der neu entdeckte Effekt des Schaltens der Thermospannung in magnetischen Tunnelelementen hat den Namen Magneto-Seebeck Effekt bekommen.

„Damit eröffnen sich Möglichkeiten, in kleinsten Elementen lokal die Energieumwandlung zu steuern und in Zukunft zum Beispiel in Mikroprozessoren entstehende, bislang ungenutzte Energie gezielt in das Computersystem zurückfließen zu lassen“, so Prof. Münzenberg. Er leitet an der Universität Göttingen eine Forschergruppe am I. Physikalischen Institut. Die gemeinsame Forschung der Arbeitsgruppen an den drei deutschen Universitäten wird seit Juli 2011 im Rahmen eines neuen Schwerpunktprogramms „Spin Caloric Transport (SpinCat) – SPP 1538“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit über einer Millionen Euro gefördert.

Quelle: Georg-August-Universität Göttingen (idw)