Temperaturforskelle i et halvledermateriale kan give anledning til dannelse af et magnetisk felt.

Det er det overraskende resultat af en analyse, der er gennemført af forskere ved University of California, Berkeley under ledelse af Junqiao Wu, og som netop er blevet offentliggjort i tidsskriftet Physical Review B.

Andre forskere fra Massachusetts Institute of Technology og Harvard University siger til Physical Review Focus, der udgives af American Physical Society, at det er et interessant fænomen, som bør studeres nærmere, da effekten muligvis i fremtiden kan udnyttes ved design af halvlederelektronik – afhængig af styrken af magnetfeltet.

Har man ikke styr på effekten, kan den i stedet være et problem, der begrænser virkemåden for computerchip og anden moderne halvlederelektronik, forklarer Junqiao Wu.

Det er velkendt, at temperaturforskelle har betydning for den elektriske strøm, der kan gå gennem et halvledermateriale, da elektroner og huller har en tendens til at bevæge sig fra varme til kolde områder.

Huller i halvledermaterialer er betegnelsen for et sted i halvlederkrystallen, hvor der mangler en elektron. Disse områder kan flytte sig, og det betyder, at huller, som er karakteriseret ved fravær af en elektron, både kan tillægges en ladning (positiv) og en mobilitet (den hastighed hvormed ladningen kan flytte sig rundt i krystallen) – derved opfører de sig på nøjagtigt samme måde som en partikel.

Mange termoelektromagnetiske effekter
Der findes flere former for kendte termoelektromagnetiske effekter.

Nernst-effekten beskriver eksempelvis, hvordan et halvledermateriale, der udsat for en temperaturgradient, som står vinkelret på et magnetfelt, kan generere et svagt elektrisk felt i den tredje retning.

I alle kendte eksempler på termoelektriske effekter er magnetfeltet dog ikke et resultat af processen, men indgår som et påtrykt felt.

Juanqiaos Wus forskergruppe har gennemført computerberegninger på et to mikrometer tykt halvledermateriale opbygget af en n-type (med frie elektroner) og en p-type (med frie huller) – samme konstruktion som indgår i en diode.

Ved grænsen mellem de to lag kan elektroner diffundere fra n-området og indtage de ledige pladser (hullerne) i gitterstrukturen i p-området.

Der opstår et område ryddet for frie ladningsbærere, som efter den engelske betegnelse kaldes et depletion-område.

Når negativ ladning forsvinder fra n-type området, og positiv ladning forsvinder fra p-område opstår et elektrisk felt hen over grænselaget.

Cirkulerende strømme
Forskerne regnede derefter på, hvad der vil ske, hvis den ene kant afkøles med 0,01 grad og den kant opvarmes 0,01 grad – svarende til en temperaturgradient på 100 K/cm i en 2 mikrometer lang krystal.

Beregningerne viste, at der ville opstå en cirkulerende strøm i materialerne. I n-type materialet vil elektroner flyder til højre i toppen og til venstre lige over grænseovergangen.

Tilsvarende vil der opstå en cirkulerende elektrisk strøm i p-type materialet, der skyldes de positive ladningsbærere (hullerne).

Det er disse cirkulerende strømme, der genererer et magnetfelt i den tredje retning (på tegningen vil det være ud mod iagttageren).

Kompliceret forklaring
Det er umuligt at give en simpel fysisk forklaring på de cirkulerende strømme, skiver Physical Review Focus.

Men en del af forklaringen er, at der kun er meget få frie ladningsbærere i depletion-området. Temperaturgradienten kan derved let skubbe ladningsbærere fra højre mod venstre.

Lang væk fra depletion-området, nær toppen og bunden, er der en højere ledningsevne, som tillader ladningsbærerne at bevæge sig fra venstre mod højre – modsat retningen for den termiske diffusion.

Junqiao Wu oplyser, at hans forskergruppe nu er gået i gang med at designe metoder til eksperimentel bekræftelse af beregningerne og en nærmere kortlægning af effekten.