Observation of the Nernst effect driven by longitudinal spin fluctuations

Hitze und Elektrizität werden normalerweise als Partner betrachtet, die sich gemeinsam in dieselbe Richtung bewegen. Wenn man ein Ende eines Metallstäbchens erhitzt, fließt der Strom von der heißen Seite zur kalten Seite. Doch es gibt einen besonderen Trick in der Physik, bei dem Hitze und Elektrizität gezwungen werden können, sich rechtwinklig zueinander zu bewegen, wie ein Fluss, der seitlich fließt, wenn der Wind darüber weht. Dieses Phänomen, bekannt als der Nernst-Effekt, ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um Abwärme ohne sperrige Maschinen in nutzbaren Strom umzuwandeln. Wissenschaftler verstehen seit langem zwei Hauptwege, wie dies geschieht: Einer beruht auf einem externen Magnetfeld, das auf die Elektronen drückt, und der andere beruht auf der internen magnetischen Ordnung des Materials selbst. Jahrzehntelang war die vorherrschende Lehrmeinung, dass diese interne Version des Effekts in dem Moment verschwinden würde, in dem ein Material seine permanente Magnetisierung verliert, was bei einer spezifischen Temperatur geschieht, der sogenannten Curie-Temperatur. Wenn die magnetische Ordnung verschwand, wurde erwartet, dass auch der Effekt mit ihr verschwindet.

Ein Team von Forschern am National Institute for Materials Science in Japan und der University of Tokyo hat diese lang gehegte Annahme infrage gestellt. Durch die Untersuchung einer speziellen Materialfamilie aus Mangan, Chrom und Antimon entdeckten sie, dass der Nernst-Effekt nicht einfach abschaltet, sobald das Material aufhört, ein permanenter Magnet zu sein. Stattdessen wird der Effekt genau um die Temperatur herum am stärksten, bei der die magnetische Ordnung zusammenbricht. Die Forscher fanden heraus, dass, während die üblichen magnetischen Signale an diesem kritischen Punkt vollständig verblassen, ein anderes, durch die chaotische, fluktuierende Bewegung der atomaren Spins getriebenes Signal stark bleibt. Diese Entdeckung legt nahe, dass die rastlose, zitternde Bewegung von Spins in einem ungeordneten Zustand Strom genauso effektiv erzeugen kann wie ein fester, geordneter Magnetismus.

Um dieses verborgene Verhalten zu finden, erstellte das Team eine Reihe polykristalliner Proben mit der Formel Mn1-aCraSb, wobei die Menge an Chrom sorgfältig angepasst wurde, um die Temperatur zu verändern, bei der das Material seine Magnetisierung verliert. Sie synthetisierten diese Materialien, indem sie hochreine Elemente zusammenschmolzen, sie zu Pulver mahlten und sie mittels einer Technik namens Spark-Plasma-Sintern zu festen Stäben pressten. Die resultierenden Stäbe waren hexagonal strukturiert und frei von unerwünschten Verunreinigungen, mit Curie-Temperaturen zwischen etwa 295 Kelvin und 480 Kelvin, abhängig vom Chromgehalt. Die Forscher machten sich dann daran, den Nernst-Effekt zu messen, standen dabei aber vor einer Herausforderung: Den Nernst-Effekt direkt in einem festen Block zu messen, ist schwierig, da Wärme auf verwirrende Weise durch das Material lecken kann. Um dies zu lösen, verwendeten sie eine kluge indirekte Methode namens Lock-in-Thermografie. Anstatt den Strom direkt zu messen, ließen sie einen elektrischen Strom durch die Probe fließen, während sie ein Magnetfeld anlegten, was die Probe aufgrund eines verwandten Effekts, des Ettingshausen-Effekts, in einem spezifischen Muster erwärmte. Indem sie eine Infrarotkamera nutzten, um die Temperaturwellen auf der Oberfläche der Probe zu beobachten, konnten sie genau berechnen, wie stark der Nernst-Effekt war, ohne die Störung durch anderes thermisches Rauschen.

Die Ergebnisse waren überraschend und eindeutig. Während sie die Proben erhitzten, beobachteten die Forscher, wie sich das Nernst-Signal veränderte. In einem typischen magnetischen Material würde das Signal genau dann auf Null fallen, wenn das Material aufhört, magnetisch zu sein. In diesen Mangan-Chrom-Antimon-Proben jedoch verschwand das Nernst-Signal nicht. Es blieb endlich, selbst als das Material von einem magnetischen in einen nicht-magnetischen Zustand überging. Tatsächlich zeigte das Signal einen deutlichen Peak genau um die Curie-Temperatur herum. Gleichzeitig maßen die Forscher den anomalen Hall-Widerstand, eine Eigenschaft, die in magnetischen Materialien normalerweise perfekt mit dem Nernst-Effekt korreliert. Diese Eigenschaft fiel jedoch genau bei der Curie-Temperatur auf Null zurück, genau wie erwartet. Diese Diskrepanz erzeugte ein Rätsel: Der Nernst-Effekt war noch immer lebendig und aktiv, aber der übliche magnetische Antrieb dafür war verschwunden.

Das Team schloss mehrere gängige Erklärungen für diese Anomalie aus. Sie prüften, ob winzige magnetische Teilchen namens Magnonen, die Wärme, aber keine Elektrizität transportieren, den Effekt mitziehen könnten, aber Berechnungen zeigten, dass Magnonen bei diesen hohen Temperaturen ihren Einfluss verlieren. Sie untersuchten auch exotische magnetische Texturen oder ungewöhnliche elektronische Strukturen, die verantwortlich sein könnten, aber die Daten stützten diese Ideen nicht. Stattdessen schlugen die Forscher vor, dass der Übeltäter die longitudinale Spin-Fluktuation sei. In einem magnetischen Material zeigen die Spins der Elektronen normalerweise in eine feste Richtung. Wenn sich das Material der Curie-Temperatur nähert, beginnen diese Spins zu wackeln und zu fluktuieren. Während sich die meisten Theorien auf Spins konzentrieren, die seitlich wackeln, fanden die Forscher heraus, dass die Fluktuationen, die entlang der Richtung des Spins selbst stattfanden, den Nernst-Effekt antrieben. Sie bauten ein theoretisches Modell basierend auf dieser Idee der longitudinalen Spin-Fluktuationen auf und stellten fest, dass es das beobachtete Peak-Verhalten in den Experimenten perfekt reproduzierte.

Dieser Befund verändert die Art und Weise, wie Wissenschaftler über die Umwandlung von Wärme in Elektrizität denken. Er zeigt, dass man keinen perfekt geordneten magnetischen Zustand benötigt, um einen starken transversalen thermoelektrischen Effekt zu erzeugen. Der chaotische, fluktuierende Zustand der Spins nahe der Curie-Temperatur ist kein Endpunkt, sondern ein leistungsstarker Motor für die Energiewandlung. Da dieser Effekt bei Temperaturen weit über Raumtemperatur funktioniert, eröffnet dies neue Möglichkeiten für das Design von thermoelektrischen Geräten, die Wärme aus industriellen Prozessen oder Motoren effizienter gewinnen können. Die Arbeit zeigt, dass die rastlose Bewegung von Atomen und Elektronen, die oft als Quelle von Unordnung gesehen wird, genutzt werden kann, um nützliche elektrische Ströme zu erzeugen, und bietet einen frischen Weg zur Verbesserung von Energietechnologien.