Batterie der Zukunft? Elektrische Spannung aus Elektronenspin

Erfolgreiches Experiment: An der TU Ilmenau gelang es einem Team um Prof. Christian Cierpka und Prof. Jörg Schumacher, elektrische Spannung aus dem Eigendrehimpuls von Elektronen zu erzeugen. Nächster Stichtag für die Förderinitiative "Experiment!" ist der 15. September 2020.

Grafische Illustration der Spannungserzeugung in der Kapillare
(Foto: TU Ilmenau)

Die sogenannte Spintronik ist eines der jüngsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik – und eines mit großem Einfluss auf unseren Alltag. So wären beispielsweise moderne Laptop- und Handyspeicher unmöglich ohne den von Peter Grünberg entdeckten und 2007 mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigten Riesenmagnetowiderstand, einem Phänomen, das auf einer kollektiven Dynamik des Eigendrehimpulses der Elektronen – also des Spins – beruht.

Mit einem anderen spintronischen Effekt befasste sich das Team um Prof. Christian Cierpka und Prof. Jörg Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik der TU Ilmenau. Ihre Forschungsarbeiten wurden soeben im renommierten Journal Physical Review Applied veröffentlicht. In einer Serie von Experimenten verifizierten und erweiterten Cierpka und seine Kollegen erstmals frühere Untersuchungen einer japanischen Forschergruppe aus Sendai: Mithilfe der kollektiven Kopplung der Spins an Strömungswirbel wurde eine elektrische Spannung erzeugt.

In einem sehr dünnen Rohr aus Spezialglas, einer Kapillare mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter, erzeugten die Wissenschaftler Strömungen, indem sie Flüssigmetall mit mehreren Atmosphären Druck durch das Rohr pressten. Die Elektronen in dem Flüssigmetall bildeten so eine Art Gas aus frei beweglichen Ladungen, wobei die gemessenen elektrischen Spannungen Werte von mehreren hundert Nanovolt erreichten (ein Nanovolt entspricht einem Milliardstel Volt). Die Spannungen waren also nur winzig klein, doch sind die Ilmenauer Wissenschaftler zuversichtlich, dass sie in der Lage sein werden, deutlich höhere Spannungen zu erzeugen, wenn sie die Strömungen so optimieren, dass sie größere Wirbelstärken hervorrufen.

Schon denken die Forscher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik über die nächsten Forschungsschritte nach. Wie kann man die winzige Spannung durch Geometrieeffekte oder nanostrukturierte Oberflächen erhöhen? Kann man die Konfiguration der Strömungswirbel so optimieren, dass die kollektive Dynamik der Elektronenspins verstärkt wird? Könnte die erzeugte elektrische Spannung dadurch erhöht werden, dass mehrere solcher Systeme parallel gelschaltet werden? An der spannenden Schnittstelle zwischen klassischer Physik und Quantenphysik müssen die Forscher Christian Cierpka und Jörg Schumacher noch eine Vielzahl Experimente durchführen, damit wir irgendwann unsere gewohnten Lithiumbatterien durch "spintronische Knopfzellen" austauschen können.

Die VolkswagenStiftung förderte das Projekt "Spin-Hydro - Coupling the world of Spintronics and Hydrodynamics" im Rahmen der Initiative "Experiment! – Auf der Suche nach gewagten Forschungsideen" mit 120.000 Euro.

Publikation
Download-Link zum Artikel in Physical Review Applied (Open Access): Electron Spin-Vorticity Coupling in Pipe Flows at Low and High Reynolds Number, https://journals.aps.org/prapplied/pdf/10.1103/PhysRevApplied.14.014002
 

Die Förderinitiative: "Experiment! – Auf der Suche nach gewagten Forschungsideen"

Stichtag 15. September 2020: Mit der Förderinitiative "Experiment!" unterstützt die VolkswagenStiftung grundlegend neue Forschungsvorhaben mit ungewissem Ausgang in der Startphase. Das Angebot richtet sich an Forscherinnen und Forscher aus den Natur-, Ingenieur-, und Lebenswissenschaften (einschließlich unmittelbar benachbarter Disziplinen aus den Verhaltenswissenschaften), die eine radikal neue und riskante Forschungsidee austesten möchten.