In Laboren auf der ganzen Welt begann der Wärmestrom in Kristallen plötzlich, sich unter dem Einfluss eines Magnetfelds abzulenken – und dies geschah nicht in exotischen Materialien, sondern in ganz gewöhnlichen Halbleitern und Isolatoren wie Silizium, Germanium und Magnesiumoxid.
Die Rede ist vom phononischen thermischen Hall-Effekt: Quasiteilchen, die die Schwingungen des Atomgitters beschreiben, erzeugen unter dem Einfluss eines Magnetfelds einen transversalen Wärmestrom. Früher nahm man an, dass ein solches Verhalten nur für Materialien mit magnetischen oder topologischen Besonderheiten charakteristisch sei, bei denen Spins oder besondere Anregungen eine Rolle spielen.
Neue Messungen zeigten, dass der Effekt universell auftritt – in einer breiten Klasse nichtmagnetischer Kristalle. Dabei skaliert die Größe der transversalen Wärmeleitfähigkeit mit dem Quadrat der longitudinalen, was auf eine direkte Wechselwirkung der Atomschwingungen mit dem Magnetfeld hinweist, ohne Vermittlung durch andere Quasiteilchen.
Diese Entdeckung zwingt dazu, die grundlegenden Vorstellungen darüber zu überdenken, wie sich Phononen in einem Magnetfeld verhalten. Galt der Wärmetransport früher als weitgehend skalar und unempfindlich gegenüber magnetischen Einflüssen in gewöhnlichen Materialien, so muss nun ein neuer Freiheitsgrad berücksichtigt werden – die elliptische Polarisation der Phononen und ihre Wechselwirkung mit dem äußeren Feld.
Für praktische Anwendungen bedeutet dies, dass sich in künftigen thermoelektrischen Bauelementen und Kühlsystemen der Wärmestrom nicht nur durch einen Temperaturgradienten, sondern auch durch ein schwaches Magnetfeld steuern lässt. Solche Materialien werden bereits in der Elektronik verwendet, und der Effekt könnte die Berechnung der thermischen Bedingungen von Chips beeinflussen.
Die Experimente wurden an hochwertigen Proben durchgeführt, bei denen der Beitrag der Ladungsträger minimal war, was es ermöglichte, den rein phononischen Mechanismus herauszustellen. Die Ergebnisse stimmen mit theoretischen Modellen überein, die eine Universalität des Phänomens für Kristalle mit diskreter Symmetrie vorhersagen.
Somit wird das gewohnte Bild der kondensierten Materie, in dem Phononen als „einfache“ Wärmeträger galten, komplizierter – und eröffnet den Weg zu neuen Möglichkeiten der Kontrolle von Wärmeströmen auf mikroskopischer Ebene.
