Thermischer Transport bei tiefen Temperaturen

Die Thermoelektrik hat in den letzten Jahren sehr viel an Bedeutung gewonnen, da sie die Grundlage für die Konvertierung von (Ab-)wärme in elektrischen Strom bildet. Hierzu hat das MPI CPfS eine breite Ausrichtung an verschiedenen Anlagen zur Bestimmung der thermischen Transporteigenschaften installiert. Sowohl Hochtemperatur-Apparaturen für die Messung der Thermokraft und der elektrischen Leitfähigkeit (200K bis 1200K) als auch Tieftemperatur-Messplätze (PPMS) für Thermokraft, elektrische und thermische Leitfähigkeit im Bereich von 2K bis 400K liegen vor. Zur Untersuchung der Thermokraft bei sehr tiefen Temperaturen wurde ein 3He/4He-Mischnungskryostat mit einer Messzelle zur Messung der Thermokraft und der thermischen Leitfähigkeit von 30mK bis 6K aufgebaut.

Thermokraft

Die Thermokraft (Seebeck-Koeffizient) ist definiert als der Quotient aus der Thermospannung bei einem gegebenen Temperaturgradienten: S=U/ΔT. Hierzu wird eine Seite einer Probe erhitzt, während die andere Seite am Bad angekoppelt ist. Simultan werden die induzierte Spannung und der Temperaturunterschied gemessen. Die Thermokraft gibt Aufschlüsse über elektronische Anregungen in einem Festkörper. Für gewöhnliche Metalle ist die Thermokraft sehr gering (1µV/K). Große Thermokräfte beobachtet man allerdings in Systemen mit starken elektronischen Korrelationen. Schwere Fermionen erreichen Werte zwischen 30µV/K und 100µV/K. Die hohe Thermokraft hängt mit der stark erhöhten Zustandsdichte an der Fermikante zusammen, da die Thermokraft in einfachen Näherungen beruhend auf der Boltzmann-Gleichung geschrieben werden kann als: S propto d ln N(EF)/d(E)|EF
• Maxima in der Thermokraft bei tiefen Temperaturen sind sowohl mit der Kondo-Temperatur als auch mit Kristallfeldanregungen verknüpft. Daher sind Thermokraft-Messungen sehr gut für Charakterisierungen der Energieskalen geeignet.
• Die Thermokraft von Schwere Fermionen, die am Quantenkritischen Punkt (QCP) liegen, geben Hinweise auf die Änderung der Zustandsdichte und somit auf Änderungen der elektronischen Struktur an der Fermifläche beim Kreuzen des QCP und erweist sich somit als geeignete Methode zur Unterscheidung verschiedener theoretischer Szenarien.
• Als Tieftemperaturanwendung können Schwere Fermionen eine Rolle als Thermoelektrikum spielen. Metallische Schwere Fermionen haben hohe thermoelektrische Gütezahlen, sobald ihre Thermokräfte Werte von 150µV/K übersteigen. Dies wird insbesondere erreicht in Systemen mit stark entartetem, orbitalem Grundzustand.
• Ebenso zeigen korrelierte Halbleiter vielversprechende Eigenschaften als Thermoelektrikum. Die Verbindung FeSb₂ besitzt eine Thermokraft, die mehr als 3 Größenordnungen größer ist als normale thermoelektrische Materialien. In Zusammenhang mit einer extrem hohen Mobilität der Ladungsträger zeigt das System ideale Voraussetzungen als effektiver Peltierkühler.

Thermische Leitfähigkeit:

Legt man einen Heizstrom Q an eine Seite einer Probe, dessen andere Seite gekühlt wird, bildet sich entlang der Probe ein Temperaturgradient DT. Die thermische Leitfähigkeit κ berechnet sich aus λ=Q/δT.Neben Ladungsträgern beteiligen sich auch Gitteranregungen und magnetische Anregungen am Wärmetransport.
• Die thermische Leitfähigkeit von Schwere Fermionen ist bei tiefen Temperaturen vom Beitrag der schweren Quasiteilchen dominiert. Für T=0 erwartet man eine Korrelation mit dem elektrischen Widerstand, die auf dem Wiedemann-Franz-Gesetz beruht: L₀ T =λ/σ Abweichungen vom Wiedemann-Franz-Gesetz deuten auf zusätzliche Wärmeträger wie Spins hin. Diese Fragestellung wird im Zusammenhang mit unkonventionellen Quantenkritischen Punkten diskutiert.
• Supraleitende Schwere Fermionen besitzen meist Nullstellen der Energielücke an der Fermikante. Die Symmetrie der Nullstellen (Punkt- oder Linienartige Knoten) lassen sich durch das Tieftemperaturverhalten der thermischen Leitfähigkeit feststellen. Insbesondere winkelabhängige Messungen der thermischen Leitfähigkeit im äußeren Magnetfeld geben direkte Informationen über die Lage der Knoten auf der Fermifläche.
• In Zusammenhang mit thermoelektrischen Materialien wird versucht, den Gitterbeitrag zur thermischen Leitfähigkeit zu reduzieren. Substitution von Elementen mit ähnlichen Eigenschaften hat sich als geeignetes Verfahren erwiesen.

Nernst-Effekt: Wird eine Probe mit Temperaturgradient ΔT einem senkrecht dazu angelegten Magnetfeld B ausgesetzt, bildet sich eine transversale Thermospannung U_xy. Der Nernst-Koeffizient  ist definiert als: =1/B U_xy/δT. Der Nernst-Koeffizient ist in Systemen mit niedriger Ladungsträgerdichte erhöht. In halbleitenden Schwere Fermionen werden sehr hohe Werte bei tiefen Temperaturen beobachtet, die unterhalb der renormalisierten Energielücke auftreten