22-05-2003
Elektronenspins erhöhen Thermospannung

Ob man mit elektrischem Strom kühlt oder mit Temperaturdifferenzen elektrische Spannungen erzeugt - auch fast 200 Jahre nach ihrer Entdeckung geben die thermoelektrischen Effekte noch Rätsel auf. In neuartigen Materialien, die zu ungewöhnlich großen Thermospannungen führen, spielen Elektronenspins die entscheidende Rolle.

Lötet man zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen (z. B. Wismut und Antimon) an ihren Enden zu einer Schlaufe zusammen und bringt die beiden Lötstellen auf unterschiedliche Temperaturen, dann entsteht eine elektrische Spannung zwischen diesen beiden Kontakten. Lässt man hingegen einen Strom durch die Drähte fließen, dann kühlt sich die eine Lötstelle ab und die andere erwärmt sich. Sowohl der Seebeck-Effekt als auch der Peltier-Effekt werden technisch genutzt, der eine zur Spannungserzeugung, der andere zur Kühlung.

Während metallische Thermoelemente nur kleine Spannungen erzeugen, treten bei Halbleitermaterialien wesentlich größere Thermospannungen auf. Allerdings leiten Halbleiter den Strom längst nicht so gut wie Metalle. Magnetische Kobaltoxide der Form NaxCo2O4 (mit variablem Natriumgehalt) verbinden beide Vorteile: Sie haben die guten thermoelektrischen Eigenschaften von Halbleitern und die Leitfähigkeit von Metallen. N. Phuan Ong und seine Kollegen von der Princeton University haben jetzt eine Erklärung für die ungewöhnlichen Eigenschaften der Kobaltoxide gefunden.

Kühlt man einen Draht an einem Ende und erwärmt ihn am anderen, bringt das entstehende Temperaturgefälle die elektrischen Ladungsträger dazu, zum kühleren Ende hin zu diffundieren. Da sich die Ladungen an diesem Ende häufen, entsteht eine elektrische Spannung. In normalen Metallen diffundieren aber nicht nur die negativ geladenen Elektronen sondern fast ebenso viele positiv geladenen Elektronenfehlstellen oder Löcher. Im Endeffekt entsteht deshalb nur eine sehr geringe Thermospannung.

Mit der ungeordneten Bewegung der Ladungsträger bei ihrer Diffusion vom warmen zum kalten Ende des Metalls wird Entropie transportiert. Je größer der Entropiestrom ist, umso mehr Wärmenergie kann in elektrische Energie umgewandelt werden und umso größer ist die sich einstellende Thermospannung. Unter bestimmten Bedingungen kann auch die ungeordnete Bewegung der Elektronenspins zum Entropiestrom und damit zur Thermospannung beitragen. Um herauszufinden, ob dies bei den Kobaltoxiden der Fall ist, haben die Forscher aus Princeton, diese Materialien während der thermoelektrischen Experimente einem Magnetfeld ausgesetzt.

In einem normalen Metall liefern die Elektronenspins keinen wesentlichen Beitrag zum Entropiestrom. Legt man ein Magnetfeld in Richtung des Temperaturgefälles an die Metallprobe, so hat das fast keinen Einfluss auf die Thermospannung. Durch das Magnetfeld ändert sich lediglich die Verteilung der Leitungselektronen auf die beiden Spinzustände. Ganz anders bei den Kobaltoxiden: Hier konnten die Forscher mit einem Magnetfeld von 12 Tesla, das parallel zum Temperaturgefälle in der Probe gerichtet war, die auftretende Thermospannung beträchtlich verringern.

In den magnetischen Kobaltoxiden können sich die Spins, die den Magnetismus verursachen, frei umher bewegen. Sie sind allerdings nicht an Elektronen, sondern an positiv geladene Löcher gebunden. Da jeder dieser Spins zwei verschiedene Ausrichtungen zur Auswahl hat, können die Spins eine Menge Unordnung verursachen. Dies wiederum erhöht den von den diffundierenden Löchern getragenen Entropiestrom und damit auch die Thermospannung ganz beträchtlich. Ein starkes Magnetfeld in Richtung des Temperaturgefälles machte der Spinunordnung ein Ende. Es zwang die einzelnen Spins dazu, sich einheitlich ausrichten, ohne dass dabei die ungeordnete Bewegung der Löcher wesentlich beeinflusst wurde. Da die Thermospannung daraufhin sehr stark abnahm, deutete darauf hin, dass sie durch den Entropiestrom der Spins verursacht worden war.

Dafür gab es noch ein weiteres Indiz. Als die Forscher die Kobaltoxidprobe - diesmal wieder ohne äußeres Magnetfeld - auf eine Temperatur von 50 Kelvin abkühlten, ordneten sich die Spins von selbst: Das NaxCo2O4 wurde zum Antiferromagneten. Auch in diesem Fall konnten die Spins keinen Entropiestrom mehr tragen, und ihr Beitrag zur Thermospannung verschwand. Da man das ungewöhnliche Verhalten der Kobaltoxide jetzt so gut verstanden hat, kann man gezielter nach neuen Substanzen mit noch besseren thermoelektrischen Eigenschaften suchen. Anwendungen für die thermoelektrischen Effekte gibt es genug.

Rainer Scharf

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