Magnetischer Nanoschalter für Thermospannungen

Foto: Nanoschalter

Die sogenannte Tunnel-Magneto-Thermospannung dürfte vor allem für den Einsatz von nanoelektronischen Schaltungen, also kleinen Bauteilen auf der Basis von magnetischen Tunnelstrukturen, sehr interessant sein.

Magnetische Tunnelstrukturen kommen bereits heute in verschiedenen Bereichen der Informationstechnologie zur Anwendung. Zum Beispiel dienen sie als magnetische Speicherzellen in nichtflüchtigen magnetischen Speicherchips (sogenannten MRAMs, magnetic random access memories) oder als hochempfindliche magnetische Sensoren zum Auslesen der auf Festplatten gespeicherten Daten. Der in der PTB im Rahmen einer Forschungskollaboration mit der Uni Bielefeld entdeckte neue Effekt könnte diesen bestehenden Anwendungen zukünftig eine weitere hinzufügen: die Kontrolle und Steuerung von thermischen Spannungen und Strömen in hochintegrierten elektronischen Schaltkreisen.

Magnetische Tunnelstrukturen bestehen aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine nur etwa einen Nanometer dünne Isolationsschicht, die sogenannte Tunnelbarriere, voneinander getrennt sind. Die magnetische Orientierung der beiden Schichten in der Tunnelstruktur hat einen großen Einfluss auf ihre elektrischen Eigenschaften: Sind die magnetischen Momente der beiden Schichten parallel ausgerichtet, ist der Widerstand niedrig, sind sie entgegengesetzt, ist er hoch. Die Widerstandsänderung beim Umschalten der Magnetisierung kann dabei deutlich über 100 Prozent betragen. So lässt sich über das Schalten der Magnetisierung der elektrische Stromfluss durch die magnetische Tunnelstruktur effizient kontrollieren.

Die Arbeiten der Forscher zeigen nun, dass neben dem elektrischen Strom auch der thermische Strom durch die Tunnelstruktur über das Schalten der Magnetisierung beeinflusst werden kann. In ihren Experimenten erzeugten die Wissenschaftler einen Temperaturunterschied zwischen den beiden magnetischen Schichten und untersuchten die dadurch entstehende elektrische Spannung, die sogenannte Thermospannung. Dabei zeigte sich, dass die Thermospannung fast genauso stark von der magnetischen Orientierung der beiden Schichten abhängt wie der elektrische Widerstand. Durch das Schalten der Magnetisierung können also die Thermospannung und letztendlich auch der thermische Strom durch die Probe kontrolliert werden.

Zukünftige Anwendungen dieses neuen Effekts ergeben sich zum Beispiel in der Nutzung und gezielten Energieumwandlung von Abwärme in integrierten Schaltkreisen. Zudem ist die Entdeckung der Tunnel-Magneto-Thermospannung ein Meilenstein im sich rapide entwickelnden Forschungsgebiet „Spinkalorik“, das aktuell von der Deutschen Forschungsgemeinschaft in einem groß angelegten Schwerpunktprogramm über sechs Jahre gefördert wird.


COMPAMED.de; Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)