DE102018118813B3

DE102018118813B3 - Cooling device and cooling method based on magnetoelectric coupling

Info

Publication number: DE102018118813B3
Application number: DE102018118813.7A
Authority: DE
Inventors: Jacob Hornung; Tino Gottschall
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2038-08-03

Abstract

Verschiedene Ausführungsformen betreffen ein Verfahren (700) zum Betreiben einer Kühlvorrichtung (300), das Verfahren (700) aufweisend: ein erstes Verändern eines elektrischen Feldes (304) in einem Feldbereich (306), wobei in dem Feldbereich (306) mindestens ein Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung angeordnet ist, und dadurch Erwärmen des mindestens einen Magnetsystems; und, anschließend, ein zweites Verändern des elektrischen Feldes (304) in dem Feldbereich (306) und dadurch Abkühlen des mindestens einen Magnetsystems.Various embodiments relate to a method (700) for operating a cooling device (300), the method (700) comprising: first changing an electric field (304) in a field region (306), wherein in the field region (306) at least one magnet system magneto-electric coupling is arranged, and thereby heating the at least one magnetic system; and, subsequently, second modifying the electric field (304) in the field region (306) and thereby cooling the at least one magnet system.

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen eine elektronische Baugruppe, eine Kühlvorrichtung, eine Kühlvorrichtungsanordnung mit mindestens einer Kühlvorrichtung, eine Kühlelementanordnung mit mehreren Kühlelementen, und Verfahren davon, z.B. ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlelementanordnung.Various embodiments relate to an electronic assembly, a cooling device, a cooling device assembly having at least one cooling device, a cooling element assembly having a plurality of cooling elements, and methods thereof, e.g. a method for operating a cooling device and a method for operating a cooling element arrangement.

Im Allgemeinen können verschiedene Kühlverfahren zum Kühlen von Objekten verwendet werden, wobei die Kühlverfahren in der Regel an den jeweiligen Einsatzzweck, zum Beispiel an die Kühltemperatur, die Kühlleistung, etc., angepasst sind. Um tiefe Temperaturen zu erreichen, z.B. Temperaturen von weniger als 20 K, stehen im Allgemeinen nur wenige Kühlverfahren zur Verfügung. Als Objekt kann beispielsweise ein Festkörper verstanden werden, aber auch Fluidmengen oder ähnliches.In general, various cooling methods can be used to cool objects, the cooling methods usually being adapted to the particular application, for example to the cooling temperature, the cooling capacity, etc. To achieve low temperatures, e.g. Temperatures of less than 20 K, are generally only a few cooling methods available. As an object, for example, a solid can be understood, but also fluid quantities or the like.

Bekannte Kühlvorrichtungen und/oder Kühlverfahren sind beispielsweise in folgender Literatur beschrieben:

US 2011 / 0 302 931 A1 ,
US 2018 / 0 045 436 A1 ,
US 2018 / 0 156 502 A1 ,
DE 10 2014 010 476 B3 ,
US 2015 / 0 292 782 A1 ,
US 2015 / 0 143 817 A1 , und
M. E. Zhitomirsky: „Enhanced magnetocaloric effect in frustrated magnets“ in PHYSICAL REVIEW B, 2003, 67, Seite 104421-1-104421-7 .

Known cooling devices and / or cooling methods are described, for example, in the following literature:

US 2011/0 302 931 A1 .
US 2018/0 045 436 A1 .
US 2018/0 156 502 A1 .
DE 10 2014 010 476 B3 .
US 2015/0 292 782 A1 .
US 2015/0 143 817 A1 , and
ME Zhitomirsky: "Enhanced Magnetocaloric Effect in Frustrated Magnets" in PHYSICAL REVIEW B, 2003, 67, 104421-1-104421-7 ,

Beispielsweise basieren herkömmliche Kühlungen entweder auf dem elektrokalorischen Effekt oder dem magnetokalorischen Effekt, wenn die Kühltemperaturen in einem Temperaturbereich oberhalb von 20 K liegen. Bei Temperaturen von weniger als 20 K erweisen sich herkömmliche Kühlungen beispielsweise basierend auf dem elektrokalorischen Effekt als zunehmend ineffizient. Als Konsequenz werden insbesondere bei tiefsten Temperaturen, z.B. bis zu einigen Millikelvin oder sogar Mikrokelvin, in der Regel nur noch Kühlungen basierend auf dem magnetokalorischen Effekt verwendet. Die tiefen Temperaturen werden dabei für gewöhnlich in einem so genannten Single-Shot-Prinzip erreicht, bei dem eine adiabatische Entmagnetisierung einmalig durchgeführt wird.For example, conventional cooling is based on either the electrocaloric effect or the magnetocaloric effect when the cooling temperatures are in a temperature range above 20K. At temperatures less than 20K, conventional cooling, for example, based on the electrocaloric effect, is becoming increasingly inefficient. As a consequence, especially at the lowest temperatures, e.g. up to a few millikelvin or even microkelvin, usually only used cooling based on the magnetocaloric effect. The low temperatures are usually achieved in a so-called single-shot principle, in which an adiabatic demagnetization is performed once.

Der Begriff „magnetokalorisch“ oder magnetokalorischer Effekt wird beispielsweise derart verstanden, dass magnetische Momente eines Materials mittels eines äußeren Magnetfeldes ausgerichtet werden, wodurch die magnetische Entropie verringert wird, was in einer Temperaturerhöhung resultieren kann. Anschaulich wird das Material dabei magnetisiert. Dieser Effekt ist reversibel. Somit kann, z.B. nach einem Thermalisieren des Materials, eine Abkühlung des Materials aufgrund einer (z.B. adiabatischen) Entmagnetisierung erfolgen. Beispielsweise können Temperaturen in einem Bereich von einigen Millikelvin basierend auf einer Kühlung erreicht werden, bei der eine adiabatische Entmagnetisierung paramagnetischer Salze (z.B. von Cermagnesiumnitrat) verwendet wird.The term "magnetocaloric" or magnetocaloric effect is understood, for example, to mean that magnetic moments of a material are aligned by means of an external magnetic field, whereby the magnetic entropy is reduced, which can result in an increase in temperature. The material is clearly magnetized during this process. This effect is reversible. Thus, e.g. after thermalizing the material, cooling the material due to (e.g., adiabatic) demagnetization. For example, temperatures in the range of a few milliequins can be achieved based on cooling using adiabatic demagnetization of paramagnetic salts (e.g., cermagnesium nitrate).

Der Begriff „elektrokalorisch“ oder elektrokalorischer Effekt wird beispielsweise derart verstanden, dass elektrische Momente eines Materials mittels eines äußeren elektrischen Feldes ausgerichtet werden, wodurch die elektrische Entropie verringert wird, was in einer Temperaturerhöhung resultieren kann. Anschaulich wird das Material dabei elektrisch polarisiert. Dieser Effekt ist reversibel. Somit kann, z.B. nach einem Thermalisieren des Materials, eine Abkühlung des Materials aufgrund einer (z.B. adiabatischen) Entpolarisierung erfolgen. Im Allgemeinen verschwindet der elektrokalorische Effekt bei tiefen Temperaturen, z.B. verschwindet der elektrokalorische Effekt bei SrTiO₃ bei einer Temperatur von ungefähr 4 K und weniger.The term "electrocaloric" or electrocaloric effect is understood, for example, to mean that electrical moments of a material are aligned by means of an external electric field, whereby the electrical entropy is reduced, which can result in an increase in temperature. Clearly, the material is electrically polarized. This effect is reversible. Thus, for example, after a thermalization of the material, a cooling of the material due to a (eg adiabatic) Entpolarisierung done. In general, the electrocaloric effect disappears at low temperatures, eg, the electrocaloric effect disappears at SrTiO ₃ at a temperature of about 4 K and less.

Im Allgemeinen werden die bekannten kalorischen Effekte ineffizienter oder verschwinden sogar mit abnehmender Temperatur, insbesondere bei Temperaturen von weniger als einem Kelvin, z.B. im Millikelvinbereich oder im Mikrokelvinbereich, da sich bei derart tiefen Temperaturen in der Regel Ordnungen einstellen, so dass eine Entmagnetisierung oder Entpolarisierung mittels herkömmlicherweise verwendeter Materialien nicht mehr erfolgen kann.In general, the known caloric effects become inefficient or even disappear with decreasing temperature, especially at temperatures of less than one Kelvin, e.g. in the millikelvin range or in the microkelvin range, since orders usually set at such low temperatures, so that demagnetization or depolarization can no longer take place by means of conventionally used materials.

Verschiedene Ausführungsformen basieren beispielsweise darauf, mindestens einen magnetischen Zustand, z.B. eine Spinkonfiguration, eines Magnetsystem mittels eines elektrischen Feldes zu beeinflussen (z.B. gezielt einzustellen bzw. energetisch zu begünstigen). Dazu ist das Magnetsystem, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, derart eingerichtet, dass in dem Magnetsystem eine magnetoelektrische Kopplung vorliegt. Beispielsweise kann dazu ein geeignetes Material mit entsprechenden intrinsischen Eigenschaften gewählt werden (z.B. ein Spin-Eis) oder es kann ein Meta-Material mit entsprechenden Spin-Eis-Eigenschaften bereitgestellt werden.For example, various embodiments are based on having at least one magnetic state, e.g. a spin configuration to affect (e.g., selectively energize) a magnet system by means of an electric field. For this purpose, the magnet system, according to various embodiments, is set up such that a magnetoelectric coupling is present in the magnet system. For example, a suitable material with corresponding intrinsic properties may be chosen (e.g., a spin-ice), or a meta-material with appropriate spin-ice properties may be provided.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine elektronische Baugruppe bereitgestellt, aufweisend: eine Elektrodenstruktur zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in einem Feldbereich, welcher der Elektrodenstruktur zugeordnet ist; mindestens ein Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung, welches in dem Feldbereich angeordnet ist; und eine Steuerung zum Ansteuern der Elektrodenstruktur gemäß einem Steuerprogramm, wobei das Steuerprogramm derart eingerichtet ist, dass ein magnetischer Soll-Zustand des Magnetsystems (z.B. eine Soll-Spinkonfiguration) mittels eines von der Elektrodenstruktur erzeugten elektrischen Feldes beeinflusst wird, z.B. energetisch begünstigt wird. Somit kann anschaulich ein magnetischer Zustand des Magnetsystems in mindestens einen magnetischen Soll-Zustand überführt werden.According to various embodiments, there is provided an electronic package comprising: an electrode structure for generating an electric field in a field region associated with the electrode structure; at least one magnet system with magnetoelectric Coupling, which is arranged in the field area; and a controller for driving the electrode structure in accordance with a control program, wherein the control program is set up such that a desired magnetic state of the magnet system (eg a desired spin configuration) is influenced, for example energetically favored, by means of an electric field generated by the electrode structure. Thus, a magnetic state of the magnet system can clearly be converted into at least one desired magnetic state.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Material mit magnetoelektrischer Kopplung (beispielsweise ein Spin-Eis) zum Kühlen verwendet. Dabei wird eine Kühlung bereitgestellt, welche zwar auf einer Änderung der magnetischen Ordnung (z.B. einer Änderung in der Spin-Ordnung) basieren kann, wobei allerdings diese Änderung in der magnetischen Ordnung nicht wie herkömmlich mittels eines angelegten äußeren Magnetfeldes verursacht wird, sondern mittels eines angelegten äußeren elektrischen Feldes.According to various embodiments, a material with magnetoelectric coupling (for example, a spin ice) is used for cooling. In this case, a cooling is provided, which although based on a change in the magnetic order (eg a change in the spin order), however, this change in the magnetic order is not caused as usual by means of an applied external magnetic field, but by means of an applied external electric field.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Kühlvorrichtung bereitgestellt, aufweisend: eine Elektrodenstruktur zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in einem Feldbereich, welcher der Elektrodenstruktur zugeordnet ist; mindestens ein Kühlelement, welches in dem Feldbereich angeordnet ist, wobei das mindestens eine Kühlelement ein Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung aufweist oder daraus besteht; und eine Steuerung zum Ansteuern der Elektrodenstruktur gemäß einem Steuerprogramm, wobei das Steuerprogramm derart eingerichtet ist, dass in einem ersten Steuermodus das elektrische Feld mittels der Elektrodenstruktur verändert wird zum Erwärmen des mindestens einen Kühlelements sowie alternativ dazu in einem zweiten Steuermodus das elektrische Feld mittels der Elektrodenstruktur verändert wird zum Abkühlen des mindestens einen Kühlelements. Anschaulich kann das elektrische Feld derart geändert werden, dass die magnetische Ordnung des Magnetsystems geändert wird. Die Änderung in der magnetischen Ordnung kann, aufgrund der Änderung in der magnetischen Entropie, zum Kühlen verwendet werden.According to various embodiments, there is provided a cooling apparatus, comprising: an electrode structure for generating an electric field in a field region associated with the electrode structure; at least one cooling element which is arranged in the field region, wherein the at least one cooling element comprises or consists of a magneto-electric coupling magnet system; and a controller for driving the electrode structure according to a control program, wherein the control program is set up such that in a first control mode the electric field is changed by means of the electrode structure for heating the at least one cooling element and alternatively in a second control mode the electric field by means of the electrode structure is changed to cool the at least one cooling element. Clearly, the electric field can be changed so that the magnetic order of the magnet system is changed. The change in magnetic order can be used for cooling due to the change in magnetic entropy.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein frustriertes Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung zum Kühlen verwendet, wobei eine Änderung in der magnetischen Ordnung mittels eines elektrischen Feldes verursacht wird. So genannte Spin-Eis- oder Quanten-Spin-Eis-Materialien können derartige frustrierte Magnetsysteme mit magnetoelektrischer Kopplung sein. Diese kühlen beispielsweise aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften ab, wenn ein äußeres elektrisches Feld geändert (z.B. verringert) wird und erwärmen sich bei einer gegenteiligen Änderung des elektrischen Feldes, z.B. wenn das elektrische Feld erhöht wird. Im Unterschied zur elektrokalorischen Kühlung wird mittels des elektrischen Feldes die Änderung in der magnetischen Ordnung verursacht, so dass die hierin beschriebene Kühlung auch bei niedrigen Temperaturen effizient erfolgen kann, z.B. bei Temperaturen von weniger als 20 K, weniger als 10 K oder weniger als 1 K. In diesen Temperaturbereichen ist eine herkömmliche elektrokalorische Kühlung nicht mehr möglich.According to various embodiments, a frustrated magneto-electric coupling magnet system is used for cooling, causing a change in the magnetic ordering by means of an electric field. So-called spin-ice or quantum spin-ice materials can be such frustrated magnetic systems with magnetoelectric coupling. These cool, for example, due to their intrinsic properties, when an external electric field is changed (e.g., decreased) and heat up when the electric field changes to the opposite, e.g. when the electric field is increased. Unlike electrocaloric cooling, the change in magnetic order is caused by the electric field, so that the cooling described herein can be efficient even at low temperatures, e.g. at temperatures of less than 20 K, less than 10 K or less than 1 K. In these temperature ranges, a conventional electro-caloric cooling is no longer possible.

In Spin-Eis- oder Quanten-Spin-Eis-Materialien liegt beispielsweise ein (z.B. geometrisch) frustrierter magnetischer Grundzustand vor, so dass mittels derartiger Materialien auch bei tiefen Temperaturen (z.B. bei Temperaturen von weniger als 20 K, weniger als 10 K, weniger als 1 K, weniger als 1 mK, oder weniger als 1 µK) eine effiziente Kühlung erfolgen kann, da die magnetische Entropie nicht wie üblich gegen null strebt, wenn die Temperatur gegen null strebt.In spin-ice or quantum spin-ice materials, for example, there is a (eg geometric) frustrated magnetic ground state, so that by means of such materials even at low temperatures (eg at temperatures of less than 20 K, less than 10 K, less than 1K, less than 1mK, or less than 1μK), efficient cooling may occur because magnetic entropy does not tend to zero as usual when the temperature approaches zero.

Anschaulich kann ein äußeres elektrisches Feld derart an ein frustriertes Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung (z.B. ein Spin-Eis oder Quanten-Spin-Eis) angelegt werden, dass ein energetisch günstigerer Grundzustand erzeugt wird der nicht oder weniger entartet ist. In dem erzeugten energetisch günstigeren Grundzustand wird eine andere Spinkonfiguration begünstigt als in dem frustrierten Grundzustand ohne angelegtes elektrisches Feld. Anschaulich kann die mittels des elektrischen Feldes begünstigte Spinkonfiguration eine andere (z.B. niedrigere) Entropie aufweisen als die Spinkonfiguration in dem frustrierten Grundzustand ohne angelegtes elektrisches Feld. Die magnetische Entropiedifferenz kann beispielsweise als Basis für eine magnetoelektrokalorische Kühlung dienen.Illustratively, an external electric field may be applied to a frustrated magneto-electric coupling magnet system (e.g., a spin ice or quantum spin ice) to produce a more energetically favorable ground state that is not or less degenerate. In the energetically more favorable ground state generated, a different spin configuration is favored than in the frustrated ground state with no applied electric field. Clearly, the electric field-enhanced spin configuration may have a different (e.g., lower) entropy than the spin configuration in the frustrated ground state with no applied electric field. The magnetic entropy difference can serve, for example, as a basis for magnetoelectrical cooling.

Es sei angemerkt, dass die mittels des elektrischen Feldes begünstigte Spinkonfiguration nicht notwendigerweise zu einer makroskopischen Magnetisierung führen muss. Ausreichend ist das Erzeugen einer lokalen Ordnung in dem Spinsystem des Materials. Somit handelt es sich bei der hierin beschriebenen magnetoelektrokalorische Kühlung weder um eine klassische adiabatische Entmagnetisierung noch um eine klassische adiabatische Entpolarisierung.It should be noted that the spin-configuration favored by the electric field does not necessarily lead to macroscopic magnetization. Sufficient is creating a local order in the spin system of the material. Thus, the magneto-electrocaloric cooling described herein is neither classical adiabatic demagnetization nor classical adiabatic depolarization.

Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.Embodiments are illustrated in the figures and are explained in more detail below.

Es zeigen

1 eine elektronische Baugruppe in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2 zwei verschiedene magnetische Zustände eines Spin-Eis-Materials in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3A und 3B eine Kühlvorrichtung in einer schematischen Ansicht während deren Betriebs, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4A bis 4E eine Kühlvorrichtung zu verschiedenen Zeitpunkten während deren Betriebs, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5 ein schematisches Entropiediagramm eines Magnetsystems mit magnetoelektrischer Kopplung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
6 eine Kühlvorrichtungsanordnung in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
7 ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung in einem schematischen Ablaufdiagramm, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
8A und 8B eine Kühlanordnung mit einem Kühlelement in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
9A und 9B eine Kühlanordnung mit mehreren Kühlelementen in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
10A und 10B eine Kühlelementanordnung mit mehreren Kühlelementen in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

Show it

1 an electronic assembly in a schematic view, according to various embodiments;
2 two different magnetic states of a spin-ice material in a schematic view, according to various embodiments;
3A and 3B a cooling device in a schematic view during its operation, according to various embodiments;
4A to 4E a cooling device at various times during its operation, according to various embodiments;
5 a schematic Entropiediagramm a magnet system with magnetoelectric coupling, according to various embodiments;
6 a cooling device arrangement in a schematic view, according to various embodiments;
7 a method of operating a cooling device in a schematic flow diagram, according to various embodiments;
8A and 8B a cooling arrangement with a cooling element in a schematic view, according to various embodiments;
9A and 9B a cooling arrangement with a plurality of cooling elements in a schematic view, according to various embodiments; and
10A and 10B a cooling element arrangement with a plurality of cooling elements in a schematic view, according to various embodiments.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. In this regard, directional terminology such as "top", "bottom", "front", "back", "front", "rear", etc. is used with reference to the orientation of the described figure (s). Because components of embodiments can be positioned in a number of different orientations, the directional terminology is illustrative and is in no way limiting. It should be understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. It should be understood that the features of the various exemplary embodiments described herein may be combined with each other unless specifically stated otherwise. The following detailed description is therefore not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.

Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.As used herein, the terms "connected," "connected," and "coupled" are used to describe both direct and indirect connection, direct or indirect connection, and direct or indirect coupling. In the figures, identical or similar elements are provided with identical reference numerals, as appropriate.

Verschiedene Ausführungsformen betreffen eine magnetische Kühlung mittels elektrischer Felder in (z.B. frustrierten) Magnetsystemen mit magnetoelektrischer Kopplung. Dies ermöglicht es eine Vorrichtung zum Erzeugen tiefster Temperaturen (z.B. einer Temperatur in einem Bereich von weniger als 1 K, z.B. in einem Bereich von weniger als 0,1 K) bereitzustellen, unter Ausnutzung spezieller Eigenschaften von (z.B. frustrierten) Magnetsystemen mit magnetoelektrischer Kopplung.Various embodiments relate to magnetic cooling by means of electric fields in (e.g., frustrated) magneto-electric coupling magnet systems. This makes it possible to provide a device for generating the lowest temperatures (e.g., a temperature in a range of less than 1 K, for example in a range of less than 0.1 K) by utilizing special characteristics of (e.g., frustrated) magneto-electric coupling magnet systems.

Die speziellen Eigenschaften Spin-Eis-Materialien (oder ähnlicher frustrierter Magnetsysteme mit magnetoelektrischer Kopplung) sind zum einen der frustrierte Grundzustand, der eine vergleichsweise hohe magnetische Entropie bis zu tiefsten Temperaturen gewährleistet, und zum anderen der magnetoelektrische Kopplungsmechanismus, der es beispielsweise ermöglicht, die magnetische Entropie mittels eines elektrischen Feldes zu kontrollieren (d.h. anschaulich gezielt zu beeinflussen). Das Grundprinzip der hierin beschriebenen Kühlung beruht beispielsweise auf einer adiabatischen Entropieänderung des Spinsystems, welche gesteuert wird mittels einer Änderung des äußeren elektrischen Feldes in dem Bereich, in dem das Magnetsystem angeordnet ist. Das äußere elektrische Feld kann beispielsweise anschaulich zu- und abgeschaltet werden um somit beispielsweise verschiedene Konfigurationen des Spinsystems zu begünstigen.The special properties of spin-ice materials (or similar frustrated magnetic systems with magnetoelectric coupling) are on the one hand the frustrated ground state, which ensures a comparatively high magnetic entropy down to the lowest temperatures, and on the other hand the magnetoelectric coupling mechanism, which makes it possible, for example, the magnetic To control entropy by means of an electric field (ie to influence it clearly). The basic principle of the cooling described herein is based, for example, on an adiabatic entropy change of the spin system which is controlled by means of a change in the external electric field in the region in which the magnet system is arranged. For example, the external electric field can be switched on and off in order to favor, for example, different configurations of the spin system.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Kühlvorrichtung bereitgestellt, welche mindestens ein Kühlelement und eine Vorrichtung zum Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes an das Kühlelement aufweist, wobei das Kühlelement ein Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung aufweist oder daraus besteht. In einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung kann die Vorrichtung zum Anlegen des äußeren elektrischen Feldes eine Plattenkondensatorstruktur sein.According to various embodiments, a cooling device is provided which has at least one cooling element and a device for applying an external electric field to the cooling element, wherein the cooling element comprises or consists of a magneto-electric coupling magnet system. In a structurally simple embodiment, the device for applying the external electric field may be a plate capacitor structure.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist es mittels der hierin beschriebenen Kühlvorrichtung bzw. dem hierin beschriebenen Kühlverfahren möglich, Temperaturen im Bereich von weniger 1 mK (z.B. weniger als 1 µK) zu erreichen. Dabei kann die Kühlvorrichtung derart eingerichtet sein, dass ein kontinuierlicher Wärmetransport von einem zu kühlenden Objekt in ein Wärmebad (auch als Wärmesenke bezeichnet) erzeugt wird. Das Wärmebad kann mittels einer Vorkühlung auf einer Temperatur von beispielsweise wenigen Kelvin gehalten werden, z.B. auf einer Temperatur in einem Bereich von ungefähr 1 K bis ungefähr 20 K.According to various embodiments, by means of the cooling device described herein or the cooling method described herein, it is possible to achieve temperatures in the range of less than 1 mK (eg less than 1 μK). In this case, the cooling device can be configured such that a continuous heat transfer from an object to be cooled into a heat bath (also known as Heat sink called) is generated. The heat bath may be maintained at a temperature of, for example, a few Kelvin by means of pre-cooling, for example at a temperature in a range from about 1 K to about 20 K.

Die Erfindung ermöglicht die Ausführung der Kühlvorrichtung als rein elektrisch gesteuertes Bauteil, z.B. ohne bewegliche Teile und/oder ohne einen Gaskreislauf, wobei keine äußeren Magnetfelder zur Kontrolle der magnetischen Entropie im Kühlmedium benötigt werden. Dies bietet beispielsweise einige Vorteile, wie folgt:

• Es werden beispielsweise keine Wirbelströme induziert, da kein veränderliches Magnetfeld zum Ansteuern der Kühlelemente verwendet werden muss,
• es entstehen beispielsweise keine magnetischen Streufelder da kein Magnetfeld zum Ansteuern der Kühlelemente verwendet werden muss,
• es kann beispielsweise ein kompakter Aufbau gewährleistet werden, da hohe elektrische Felder vergleichsweise einfach erzeugt werden können verglichen mit hohen magnetischen Feldern,
• es kann beispielsweise eine kostengünstige Fertigung erfolgen, da der konstruktive Aufbau einfach gehalten werden kann,
• ferner kann ein vereinfachter Einsatz von magnetisch geschalteten Wärmeschaltern erfolgen, wodurch eine hohe Flexibilität in der Kombination mehrerer Kühlelemente und Wärmeschalter zu einem Netzwerk gewährleistet werden kann.

The invention enables the design of the cooling device as a purely electrically controlled component, for example, without moving parts and / or without a gas circulation, with no external magnetic fields are required to control the magnetic entropy in the cooling medium. For example, this offers some advantages, as follows:

For example, no eddy currents are induced since no variable magnetic field must be used to drive the cooling elements.
For example, there are no stray magnetic fields because no magnetic field has to be used to drive the cooling elements,
For example, a compact construction can be ensured since high electric fields can be generated comparatively easily compared to high magnetic fields,
For example, a cost-effective production can be carried out, since the structural design can be kept simple,
• Furthermore, a simplified use of magnetic thermal switches can be done, which can be a high flexibility in the combination of several cooling elements and thermal switch can be ensured to a network.

Die gebräuchlichsten Kühltechniken zum Erreichen von tiefen Temperaturen (z.B. im Millikelvinbereich) sind die adiabatische Entmagnetisierung (basierend auf dem magnetokalorischen Effekt) und eine ³He/⁴He Entmischungskühlung. Bei der adiabatischen Entmagnetisierung wird beispielsweise ein magnetisches Kühlmedium, während es an ein Wärmebad gekoppelt ist, einem Magnetfeld ausgesetzt, welches die Spins (Elektronen- oder Kernspins) dazu bringt sich zu ordnen. Daher wird die magnetische Entropie gesenkt und das System führt Wärme an das Wärmebad ab. Danach wird der thermische Kontakt zu dem Wärmebad unterbrochen und das magnetische Feld abgeschaltet. Das Spinsystem strebt in diesem Fall wieder einem Zustand höherer Entropie zu und entzieht daher dem Phononen-System des magnetischen Kühlmediums Energie. Das Kühlmedium, und sofern vorhanden thermisch mit dem Kühlmedium verbundene Objekte, werden beispielsweise somit abgekühlt. Eine kontinuierliche Kühlleistung zu gewährleisten ist mit dieser Kühltechnik nur schwierig, d.h. mit sehr hohem technischen Aufwand, realisierbar. Daher ist die herkömmlicherweise hauptsächlich genutzte Kühltechnik die ³He/⁴He Entmischungskühlung. Hierbei wird die Lösungsenthalpie von ³He in flüssigem ⁴He ausgenutzt. Die Nachteile sind die hohen Kosten für ³He, die Komplexität der notwendigen Kühlvorrichtung (z.B. sind mehrere Pumpen, Wärmetauscher, mehrere Kältefallen, Tanks, etc. notwendig, und das Gashandling ist allgemein komplex) deren Größe, Störanfälligkeit, etc., sowie die Komplexität der Bedienung einer solchen Kühlvorrichtung.The most common cooling techniques for achieving low temperatures (eg in the millikelvin range) are the adiabatic demagnetization (based on the magnetocaloric effect) and a ³ He / ⁴ He segregation cooling. For example, in adiabatic demagnetization, a magnetic cooling medium, while coupled to a thermal bath, is exposed to a magnetic field that causes the spins (electron or nuclear spins) to align. Therefore, the magnetic entropy is lowered and the system dissipates heat to the heat bath. Thereafter, the thermal contact with the heat bath is interrupted and the magnetic field is turned off. In this case, the spin system again aims for a state of higher entropy and therefore withdraws energy from the phonon system of the magnetic cooling medium. The cooling medium, and if present thermally connected to the cooling medium objects, for example, thus cooled. To ensure a continuous cooling performance is difficult with this cooling technology, ie with very high technical complexity, feasible. Therefore, the conventionally used cooling technique is the ³ He / ⁴ He segregation cooling. Here, the solution enthalpy of ³ He in liquid ⁴ He is exploited. The disadvantages are the high cost of ³ He, the complexity of the necessary cooling device (eg several pumps, heat exchangers, multiple cold traps, tanks, etc. are necessary, and the gas handling is generally complex) their size, susceptibility, etc., as well as the complexity the operation of such a cooling device.

Ebenfalls bekannt ist das Kühlen basierend auf adiabatischer Entpolarisierung in sogenannten Para-/Ferroelektrika. Diese ordnen sich allerdings bereits bei viel höheren Temperaturen und haben ihre Anwendung daher entweder in einem anderen Temperaturbereich (z.B. oberhalb von 300 K), oder diese müssen, wenn überhaupt, verdünnt eingesetzt werden, wobei dann allerdings die Entropieänderung pro Volumen durch den Grad der Verdünnung in der Regel zu gering ist, um eine effiziente Kühlung bei tiefen Temperaturen (z.B. bei weniger als 20 K) zu gewährleisten.Also known is cooling based on adiabatic depolarization in so-called para / ferroelectrics. However, these are already arranged at much higher temperatures and therefore have their application either in a different temperature range (eg above 300 K), or they must be used diluted, if at all, but then the Entropieänderung per volume by the degree of dilution usually too low to ensure efficient cooling at low temperatures (eg less than 20K).

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein magnetoelektrischer Kopplungsmechanismus in einem frustrierten Magnetsystem (z.B. in einem (Quanten)-Spin-Eis) genutzt, der es ermöglicht, deren magnetische Entropie mittels elektrischer Felder zu beeinflussen. Aufgrund der Verknüpfung elektrischer Dipolmomente mit bestimmten Spinkonfigurationen ist es beispielsweise möglich, die Ordnung des Spinsystems mittels elektrischer Felder zu erhöhen. In Verbindung mit mindestens einem Wärmeschalter, der es beispielsweise ermöglicht, die thermische Verbindung des Kühlmediums zu einem Wärmebad zu steuern, kann man dem Kühlmedium durch adiabatische Entropieänderung Wärme entziehen.According to various embodiments, a magnetoelectric coupling mechanism is utilized in a frustrated magnet system (e.g., in a (quantum) spin ice) which allows its magnetic entropy to be influenced by electric fields. Due to the combination of electrical dipole moments with certain spin configurations, it is possible, for example, to increase the order of the spin system by means of electric fields. In conjunction with at least one thermal switch, which makes it possible, for example, to control the thermal connection of the cooling medium to a heat bath, it is possible to extract heat from the cooling medium by adiabatic entropy change.

Das hierin beschriebene Kühlprinzip basiert auf der Verwendung von elektrischen Feldern, um die magnetische Entropie in frustrierten Magnetsystemen mit magnetoelektrischer Kopplung (z.B. (Quanten)-Spin-Eis) zu kontrollieren, während bei herkömmlichen Kühltechniken die magnetische Entropie von diversen magnetischen Stoffklassen mittels hoher Magnetfelder kontrolliert wird (adiabatische Entmagnetisierung/magnetokalorische Kühlung), oder die Entropie elektrischer Dipole mittels elektrischer Felder in para-/ferroelektrischen Stoffen kontrolliert wird (adiabatische Entpolarisierung/elektrokalorische Kühlung). Frustrierte Magnetsysteme mit magnetoelektrischer Kopplung sind beispielsweise Systeme mit lokalisierten magnetischen Momenten, die aufgrund konkurrierender Wechselwirkung keinen eindeutigen Grundzustand annehmen, wobei ferner die magnetischen Freiheitsgrade an elektrische Felder koppeln. Beispiele sind Spin-Eis-Systeme.The cooling principle described herein is based on the use of electric fields to control magnetic entropy in frustrated magnetic systems with magnetoelectric coupling (eg, (quantum) spin ice), while conventional cooling techniques control the magnetic entropy of various magnetic classes using high magnetic fields is controlled (adiabatic demagnetization / magnetocaloric cooling), or the entropy of electric dipoles by means of electric fields in para- / ferroelectric substances (adiabatic depolarization / electrocaloric cooling). Frustrated magnetic systems with magnetoelectric coupling are, for example, systems with localized magnetic moments, which do not assume a definite ground state due to competing interaction, and in which the magnetic degrees of freedom also couple to electric fields. Examples are spin-ice systems.

Als Spin-Eis-Systeme bzw. (Quanten)-Spin-Eis-Systeme können Verbindungen mit den folgenden Merkmalen verstanden werden: das Material lässt sich mit der Summenformel der Form A₂B₂O₆(O,OH,F) beschreiben (d.h. z.B. A₂B₂O₇, A₂B₂O₆OH, A₂B₂O₆F). Dabei ist A beispielsweise ein magnetisches Seltenerdion und B ein nicht magnetisches Metallion. Derartige Materialien haben beispielsweise eine sogenannte Pyrochlorstruktur und das Spinsystem hat einen (z.B. geometrisch) frustrierten Grundzustand, einen sogenannten „2-in-2-out“ Grundzustand. Spin-ice systems or (quantum) spin-ice systems can be understood to mean compounds having the following features: the material can be described by the empirical formula of the form A ₂ B ₂ O ₆ (O, OH, F) ( ie, for example, A ₂ B ₂ O ₇ , A ₂ B ₂ O ₆ OH, A ₂ B ₂ O ₆ F). For example, A is a magnetic rare earth ion and B is a non-magnetic metal ion. Such materials have, for example, a so-called pyrochlore structure and the spin system has a (eg geometrically) frustrated ground state, a so-called "2-in-2-out" ground state.

Beispiele für Spin-Eis-Systeme bzw. (Quanten)-Spin-Eis-Systeme (in einer Form von A₂B₂O₆X mit beispielsweise X=Sauerstoff) können sein: Dy₂Ti₂O₇, Dy₂Ge₂O₇, Dy₂Sn₂O₇, Ho₂Ti₂O₇, Ho₂Ge₂O₇, Ho₂Sn₂O₇, CdEr₂Se₄, Pr₂Hf₂O₇, Pr₂Zr₂O₇, Pr₂Sn₂O₇, etc. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann bei Spin-Eis-Systemen bzw. (Quanten)-Spin-Eis-Systemen der Form von A₂B₂O₆X (mit beispielsweise X=O, OH, oder F) A mindestens eines von Ca, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Cd, In, Tl, Hg, Sb, oder Bi sein und B mindestens eines von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Si, Ge, Sn, oder Pb.Examples of spin-ice systems or (quantum) spin-ice systems (in a form of A ₂ B ₂ O ₆ X with, for example, X = oxygen) may be: Dy ₂ Ti ₂ O ₇ , Dy ₂ Ge ₂ O ₇ , Dy ₂ Sn ₂ O ₇ , Ho ₂ Ti ₂ O ₇ , Ho ₂ Ge ₂ O ₇ , Ho ₂ Sn ₂ O ₇ , CdEr ₂ Se ₄ , Pr ₂ Hf ₂ O ₇ , Pr ₂ Zr ₂ O ₇ , Pr ₂ Sn ₂ O ₇ , etc. According to various embodiments, in spin-ice systems or (quantum) spin-ice systems of the form of A ₂ B ₂ O ₆ X (with, for example, X = O, OH, or F) A is at least one of Ca, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Cd, In, Tl, Hg, Sb, or Bi and B is at least one of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Si, Ge, Sn, or Pb.

Weitere Beispiele für Spin-Eis-Systeme bzw. (Quanten)-Spin-Eis-Systeme (in einer Form von AB₂C₄) können sein: CdEr₂Se₄, MgEr₂Se₄, CdEr₂S₄, MgEr₂Se₄. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann bei Spin-Eis-Systemen bzw. (Quanten)-Spin-Eis-Systemen basierend auf der Summenformel AB₂C₄ A ein Element aus der Beryllium-Gruppe (z.B. Be, Mg, Ca, Sr, Ba) oder der Zink-Gruppe (Zn, Cd, Hg) sein, B aus der Lanthanoid-Gruppe (z.B. La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb), und C aus der Sauerstoffgruppe (z.B. O, S, Se, Te). Further examples of spin-ice systems or (quantum) spin-ice systems (in a form of AB ₂ C ₄ ) can be: CdEr ₂ Se ₄ , MgEr ₂ Se ₄ , CdEr ₂ S ₄ , MgEr ₂ Se ₄ . According to various embodiments, in spin-ice systems or (quantum) spin-ice systems based on the empirical formula AB ₂ C ₄ A, an element from the beryllium group (eg Be, Mg, Ca, Sr, Ba) or the zinc group (Zn, Cd, Hg), B from the lanthanoid group (eg La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb), and C from the oxygen group (eg O, S, Se, Te).

Eine Kontrolle der magnetischen Entropie mittels elektrischer Felder bietet Vorteile gegenüber der Magnetisierung mittels eines Magnetfeldes, wie beispielsweise den, dass ein Erzeugen hoher elektrischer Felder technisch einfacher in eine Kühlung integrierbar ist, auf viel kleinerem Raum und mit wesentlich geringerem Materialaufwand erfolgen kann. Außerdem wird der Einsatz von magnetisch steuerbaren supraleitenden oder magnetostriktiven Wärmeschaltern wesentlich vereinfacht, da diese magnetisch gesteuert werden jedoch in diesem Fall nicht abgeschirmt werden müssen. Dies ermöglicht eine Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Kühlelemente auf engstem Raum. Dadurch ist es beispielsweise möglich, ein Netzwerk aus mehreren Kühlelementen bereitzustellen, wobei die Kühlelemente mit verschiedenen optimalen Arbeitspunkten bereitgestellt werden, deren thermische Verbindungen flexibel geschaltet werden können, und/oder eine Kontrolle des Wärmestromes durch das Kühlelement Netzwerk ermöglichen. Dies erlaubt beispielsweise eine einfache Anpassung der Kühlelementanordnung an verschiedene Temperaturbereiche und/oder verschiedene Anforderungen. So kann man zum Beispiel mit einer Schaltung ein und desselben Kühlelement-Netzwerks eine höhere Kühlleistung und mit einer anderen Schaltung eine tiefere Endtemperatur erreichen. Dadurch kann eine energieeffiziente, kontinuierliche Kühlleistung für eine große Temperaturspanne, durch ein kompaktes, kostengünstiges, rein elektrisch gesteuertes Kühlelement erzeugt werden, wobei der Betriebsmodus des Kühlelement-Netzwerks während des Abkühlprozesses angepasst werden kann.A control of the magnetic entropy by means of electric fields offers advantages over the magnetization by means of a magnetic field, such as that generating high electric fields is technically easier integrated into a cooling, can be done in a much smaller space and with much less material. In addition, the use of magnetically controllable superconducting or magnetostrictive thermal switches is much easier because they are magnetically controlled, but in this case need not be shielded. This allows a series and / or parallel connection of several cooling elements in a confined space. This makes it possible, for example, to provide a network of several cooling elements, wherein the cooling elements are provided with different optimal operating points, the thermal connections can be switched flexibly, and / or allow control of the heat flow through the cooling element network. This allows, for example, a simple adaptation of the cooling element arrangement to different temperature ranges and / or different requirements. For example, with a circuit of one and the same cooling element network, one can achieve a higher cooling capacity and, with another circuit, a lower final temperature. Thereby, an energy-efficient, continuous cooling performance for a large temperature range can be generated by a compact, inexpensive, purely electrically controlled cooling element, wherein the operating mode of the cooling element network can be adapted during the cooling process.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Material für das Magnetsystem verwendet, dass eine ausreichend hohe magnetische Entropie aufweist (d.h. anschaulich im Wesentlichen nicht verdünnt ist) um eine effiziente Kühlung zu ermöglichen, z.B. eine maximale magnetische Entropie in einem Bereich von ungefähr 1 J·K^-1·kg^-1 bis ungefähr 100 J·K^-1·kg^-1, z.B. 5 J·K^-1·kg^-1 bis ungefähr 50 J·K^-1·kg^-1, z.B. 10 J·K^-1·kg^-1 bis ungefähr 30 J·K^-1·kg^-1.According to various embodiments, a material is used for the magnet system that has sufficiently high magnetic entropy (ie, is not substantially thinned) to allow efficient cooling, eg, maximum magnetic entropy in a range of about 1 J · K ^-1 · Kg ^-1 to about 100 J · K ^-1 · kg ^-1 , eg 5 J · K ^-1 · kg ^-1 to about 50 J · K ^-1 · kg ^-1 , eg 10 J · K ^-1 · kg ^-1 to about 30 J · K ^-1 · kg ^-1 .

1 veranschaulicht eine elektronische Baugruppe 100 in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die elektronische Baugruppe 100 kann beispielsweise eine Elektrodenstruktur 102 aufweisen. Die Elektrodenstruktur 102 kann beispielsweise zum Erzeugen eines elektrischen Feldes 104 in einem Feldbereich 106 eingerichtet sein. Der Feldbereich 106 ist dabei der Elektrodenstruktur 102 zugeordnet, d.h. anschaulich definiert die Elektrodenstruktur 102 den Feldbereich 106. 1 illustrates an electronic assembly 100 in a schematic view, according to various embodiments. The electronic assembly 100 For example, an electrode structure 102 respectively. The electrode structure 102 For example, to generate an electric field 104 in a field area 106 be furnished. The field area 106 is the electrode structure 102 assigned, ie clearly defines the electrode structure 102 the field area 106 ,

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektrodenstruktur 102 eine erste Elektrode 102a und eine zweite Elektrode 102b aufweisen, die in einem Abstand 113 (parallel zur Richtung 103 und senkrecht zur Richtung 101) voneinander angeordnet sind. Dabei kann sich der Feldbereich 106 zwischen den beiden Elektroden 102a, 102b erstrecken. Die beiden Elektroden 102a, 102b können beispielsweise im Wesentlichen plattenförmig sein oder zumindest plattenförmige Abschnitte aufweisen. Somit kann beispielsweise das elektrische Feld 104 vergleichsweise homogen in dem Feldbereich 106 zwischen den Elektroden 102a, 102b bereitgestellt werden. Anschaulich kann die Elektrodenstruktur 102 als Plattenkondensator ausgestaltet sein. In gleicher oder ähnlicher Weise können andere geeignete Ausgestaltungen der Elektrodenstruktur 102 verwendet werden.According to various embodiments, the electrode structure 102 a first electrode 102 and a second electrode 102b exhibit that at a distance 113 (parallel to the direction 103 and perpendicular to the direction 101 ) are arranged from each other. This can be the field area 106 between the two electrodes 102 . 102b extend. The two electrodes 102 . 102b For example, they may be substantially plate-shaped or at least have plate-shaped sections. Thus, for example, the electric field 104 comparatively homogeneous in the field area 106 between the electrodes 102 . 102b to be provided. Illustratively, the electrode structure 102 be designed as a plate capacitor. In a similar or similar manner, other suitable configurations of the electrode structure 102 be used.

Nur beispielhaft sei für eine als Plattenkondensator ausgestaltete Elektrodenstruktur 102 angemerkt, dass die elektrische Feldstärke, E, des elektrischen Feldes 104 in dem Feldbereich 106 räumlich homogen (senkrecht zu den plattenförmigen Elektroden 102a, 102b) verteilt ist und sich der Feldstärkewert (als Betrag der elektrischen Feldstärke), aus dem Quotienten der zwischen den Kondensatorplatten angelegten Spannung, U, und dem Abstand 113 der Kondensatorplatten ergibt.By way of example only, be an electrode structure designed as a plate capacitor 102 noted that the electric field strength, E, of the electric field 104 in the field area 106 spatial homogeneous (perpendicular to the plate-shaped electrodes 102 . 102b) is distributed and the field strength value (as the magnitude of the electric field strength), from the quotient of the applied between the capacitor plates voltage, U , and the distance 113 the capacitor plates results.

Für andere Ausgestaltungen der Elektrodenstruktur 102 kann in geeigneter Weise aus der Geometrie und der angelegten Spannung eine elektrische Feldstärkeverteilung ermittelt (z.B. berechnet oder ausgemessen) werden. Der Feldstärkewert des elektrischen Feldes 104 kann für ein inhomogenes oder teilweise inhomogenes elektrisches Feld als der maximale Feldstärkewert verstanden werden.For other embodiments of the electrode structure 102 can be determined in an appropriate manner from the geometry and the applied voltage, an electric field strength distribution (eg calculated or measured). The field strength value of the electric field 104 For example, an inhomogeneous or partially inhomogeneous electric field may be understood as the maximum field strength value.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die elektronische Baugruppe 100 mindestens ein Magnetsystem 108 mit magnetoelektrischer Kopplung aufweisen. Das mindestens eine Magnetsystem 108 kann in dem Feldbereich 106 (z.B. zwischen den beiden Elektroden 102a, 102b) angeordnet sein.According to various embodiments, the electronic assembly 100 at least one magnet system 108 having magnetoelectric coupling. The at least one magnet system 108 can in the field area 106 (eg between the two electrodes 102 . 102b ) can be arranged.

Das mindestens eine Magnetsystem 108 kann insbesondere ein Spin-Eis-Material oder ein Quanten-Spin-Eis-Material sein, wie es hierin beschrieben ist. Allerdings können auch andere geeignete Materialien verwendet werden, bei denen ein magnetischer Zustand (z.B. die Spinkonfiguration) bzw. eine magnetische Eigenschaft (z.B. die magnetische Entropie) mittels eines elektrischen Feldes beeinflusst werden kann. Beispielsweise können Meta-Materialien mit Spin-Eis-Eigenschaften verwendet werden.The at least one magnet system 108 may be, in particular, a spin-ice material or a quantum spin-ice material as described herein. However, other suitable materials can be used in which a magnetic state (eg the spin configuration) or a magnetic property (eg the magnetic entropy) can be influenced by means of an electric field. For example, meta-materials with spin-ice properties can be used.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die elektronische Baugruppe 100 eine Steuerung 110 aufweisen zum Ansteuern der Elektrodenstruktur 102 gemäß einem Steuerprogramm 110p. Die Elektrodenstruktur 102 kann beispielsweise auf verschiedene geeignete Weisen angesteuert werden. Dazu kann die Steuerung eine an die Elektrodenstruktur 102 angelegte Spannung U steuern, z.B. auf einen vordefinierten Wert einstellen, so dass ein elektrisches Feld 104 mit einem vordefinierten Feldstärkewert in dem Feldbereich 106 erzeugt wird. Es versteht sich, dass jede geeignete Spannungsquelle 110s dazu verwendet werden kann eine vordefinierte Spannung U für die Elektroden 102a, 102b zu erzeugen.According to various embodiments, the electronic assembly 100 a controller 110 have for driving the electrode structure 102 according to a control program 110p , The electrode structure 102 For example, it can be controlled in various suitable ways. For this purpose, the controller can be connected to the electrode structure 102 applied voltage U control, eg to set to a predefined value, so that an electric field 104 with a predefined field strength value in the field area 106 is produced. It is understood that any suitable voltage source 110s It can be used with a predefined voltage U for the electrodes 102 . 102b to create.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuerprogramm 110p der Steuerung 110 derart eingerichtet sein, dass ein magnetischer Zustand, M, des Magnetsystems mittels des von der Elektrodenstruktur 102 erzeugten elektrischen Feldes 104 in mindestens einen magnetischen Soll-Zustand, M1, überführt wird, wenn das Steuerprogramm ausgeführt wird. Mit anderen Worten kann das Steuerprogramm 110p der Steuerung 110 derart eingerichtet sein, dass ein magnetischer Soll-Zustand (anschaulich ein Soll-Ordnungszustand) mittels eines von der Elektrodenstruktur 102 erzeugten elektrischen Feldes 104 (energetisch) begünstigt wird. Somit wird beispielsweise eine Änderung in der magnetischen Ordnung induziert, woraus eine Änderung der magnetischen Entropie resultiert sowie bei einer zumindest teilweisen adiabatischen Zustandsänderung eine Temperaturänderung.According to various embodiments, the control program 110p the controller 110 be set up such that a magnetic state, M , of the magnet system by means of the electrode structure 102 generated electric field 104 in at least one magnetic desired state, M1 , is transferred when the control program is executed. In other words, the control program 110p the controller 110 be set up such that a desired magnetic state (illustratively, a desired order state) by means of one of the electrode structure 102 generated electric field 104 (energetically) is favored. Thus, for example, a change in the magnetic order is induced, which results in a change in the magnetic entropy and, in the case of an at least partial adiabatic change in state, a temperature change.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerung 110 (bzw. das Steuerprogramm 110p der Steuerung 110) derart eingerichtet sein, dass das elektrische Feld 104 in dem Feldbereich 106 verändert wird zum Ändern des magnetischen Zustands M des mindestens einen Magnetsystems 108. Das Ändern des elektrischen Feldes 104 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die an die Elektrodenstruktur 102 angelegte elektrische Spannung U verändert wird. Beispielsweise kann eine elektrische Spannung U angelegt werden, wenn vorher keine Spannung angelegt war, die elektrische Spannung kann nicht mehr angelegt werden (anschaulich abgeschaltet werden), wenn eine Spannung U angelegt war, oder die elektrische Spannung U kann von einem ersten Spannungswert U1 auf einen zweiten Spannungswert U2 erhöht oder abgesenkt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Ändern des elektrischen Feldes 104 dadurch erfolgen, dass die relative Lage der Elektrodenstruktur 102 zu dem mindestens einen Magnetsystem 108 verändert wird. Beispielsweise kann das mindestens eine Magnetsystem 108 aus dem Feldbereich 106 heraus oder in den Feldbereich hinein bewegt werden, wobei die elektrische Feldstärke außerhalb des Feldbereichs 106 beispielsweise geringer sein kann als in dem Feldbereich 106. According to various embodiments, the controller may 110 (or the control program 110p the controller 110 ) be set up such that the electric field 104 in the field area 106 is changed to change the magnetic state M of the at least one magnet system 108 , Changing the electric field 104 can be done, for example, by that to the electrode structure 102 applied electrical voltage U is changed. For example, an electrical voltage U be applied, if no voltage was applied before, the electrical voltage can not be applied (clearly switched off) when a voltage U was applied, or the electrical voltage U can be from a first voltage value U1 to a second voltage value U2 be raised or lowered. Alternatively or additionally, changing the electric field 104 be done by the fact that the relative position of the electrode structure 102 to the at least one magnet system 108 is changed. For example, the at least one magnet system 108 from the field area 106 out or into the field area, with the electric field strength outside the field area 106 for example, may be less than in the field area 106 ,

Zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Magnetsystem 108 und der Elektrodenstruktur 102 kann eine entsprechend ausgestaltete Mechanik sowie ein entsprechend ausgestalteter Antrieb verwendet werden, wobei die Steuerung in diesem Fall beispielsweise derart eingerichtet sein kann, dass verschiedene Stellungen des mindestens einen Magnetsystems 108 relativ zu der Elektrodenstruktur 102 mittels des Antriebs eingestellt werden können. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Ändern des elektrischen Feldes 104 dadurch erfolgen, dass dessen Richtung relativ zu dem mindestens einen Magnetsystem 108 geändert wird. Beispielsweise kann die Polarität der elektrischen Spannung umgekehrt werden und/oder die geometrische Ausrichtung des mindestens einen Magnetsystems 108 relativ zu der Elektrodenstruktur 102 kann verändert werden.For generating a relative movement between the at least one magnet system 108 and the electrode structure 102 a suitably designed mechanism and a correspondingly designed drive can be used, wherein the controller in this case, for example, can be set up such that different positions of the at least one magnet system 108 relative to the electrode structure 102 can be adjusted by means of the drive. Alternatively or additionally, changing the electric field 104 be effected in that its direction relative to the at least one magnet system 108 will be changed. For example, the polarity of the electrical voltage can be reversed and / or the geometric orientation of the at least one magnet system 108 relative to the electrode structure 102 can be changed.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Spannungsquelle 110s derart mittels der Steuerung 110 gemäß dem Steuerprogramm 110p angesteuert werden, dass das mittels der Elektrodenstruktur 102 erzeugte elektrische Feld 104 eine elektrische Feldstärke mit einem vordefinierten Feldstärkewert E1 aufweist. Der vordefinierte Feldstärkewert E1 kann beispielsweise größer sein als 100 V/cm, z.B. größer als 1 kV/cm oder größer als 10 kV/cm.According to various embodiments, the at least one voltage source 110s such by the controller 110 according to the control program 110p be controlled that by means of the electrode structure 102 generated electric field 104 an electric field strength with a predefined field strength value E1 having. The predefined field strength value E1 may for example be greater than 100 V / cm, for example, greater than 1 kV / cm or greater than 10 kV / cm.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die elektronische Baugruppe 100 derart eingerichtet, dass in dem mindestens einen Magnetsystem 108 ein vordefinierte magnetischer Zustand M1 stabilisiert werden kann. Dieser vordefinierte magnetische Zustand M1 kann eine Entropie S1 aufweisen, die verschieden von der Entropie S des nicht stabilisierten Zustandes M ist. Der nicht stabilisierte Zustand M kann beispielsweise ein magnetischer Grundzustand des mindestens einen Magnetsystems 108 sein.According to various embodiments, the electronic assembly is 100 arranged such that in the at least one magnet system 108 a predefined magnetic state M1 can be stabilized. This predefined magnetic state M1 can be an entropy S1 that are different from the entropy S the unstabilized state M is. The unstabilized state M For example, a magnetic ground state of the at least one magnetic system 108 his.

2 veranschaulicht zwei verschiedene magnetische Zustände 200 eines Spin-Eis-Materials, beispielsweise ohne angelegtes elektrisches Feld den Zustand M2 und bei angelegtem elektrischen Feld mit einer elektrischen Feldstärke E den Zustand M1, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 2 illustrates two different magnetic states 200 of a spin-ice material, for example, without an applied electric field, the state M2 and when applied electric field with an electric field strength E the state M1 according to various embodiments.

Ausgehend von der Kristallstruktur des Spin-Eis-Materials ergibt sich eine tetraedrische Anordnung der magnetischen Momente (d.h. der Spins). Somit ergibt sich eine Frustration (auch als geometrische Frustration bezeichnet), so dass die gleichzeitige Minimierung aller Wechselwirkungsenergien an einem Gitterpunkt unmöglich ist, was zu einem energetisch entarteten Grundzustand führt. Anschaulich handelt es sich um ein so genanntes frustriertes Magnetsystem.Based on the crystal structure of the spin-ice material, a tetrahedral arrangement of the magnetic moments (i.e., the spins) results. Thus, frustration (also referred to as geometrical frustration) results, so that the simultaneous minimization of all interaction energies at a lattice point is impossible, resulting in an energetically degenerate ground state. Illustratively, it is a so-called frustrated magnet system.

Der magnetische Grundzustand kann dabei eine so genannte 2-in-2-out-Konfiguration aufweisen, d.h. zwei nach innen und zwei nach außen gerichtete Spins pro Tetraeder, siehe Zustand M2 in 2. Die 2-in-2-out-Konfiguration kann bei Abwesenheit eines äußeren elektrischen Feldes der energetisch günstigste Zustand sein. Aufgrund eines anliegenden elektrischen Feldes kann eine andere Spinkonfiguration als im Grundzustand (energetisch) begünstigt werden. Bei anliegendem elektrischen Feld kann beispielsweise eine Spinkonfiguration mit drei nach innen und einem nach außen gerichteten Spin (3-in-1-out Konfiguration) und/oder mit einem nach innen und drei nach außen gerichteten Spins (1-in-3-out Konfiguration, siehe beispielsweise Zustand M1 in 2) energetisch günstiger sein als die 2-in-2-out-Konfiguration. Anschaulich stellt sich somit diese energetisch günstigere Spinkonfiguration ein, wenn ein entsprechendes elektrisches Feld angelegt wird.The magnetic ground state can have a so-called 2-in-2-out configuration, ie two inwards and two outward spins per tetrahedron, see state M2 in 2 , The 2-in-2-out configuration may be the most energetically favorable state in the absence of an external electric field. Due to an applied electric field, a different spin configuration than in the ground state (energetic) can be favored. For example, with an applied electric field, a spin configuration with three inward and one outward spin (3-in-1-out configuration) and / or one in and three outward spins (1-in-3-out configuration , see for example state M1 in 2 ) be energetically cheaper than the 2-in-2-out configuration. Clearly this energetically more favorable spin configuration thus arises when a corresponding electric field is applied.

Die Spinkonfiguration bei anliegendem elektrischen Feld kann beispielsweise eine geringere magnetische Entropie (in diesem Fall Spin-Entropie) aufweisen. Anschaulich kann sich lokal aufgrund des äußeren elektrischen Feldes ein elektrisches Dipolmoment ausbilden (veranschaulicht in 2 durch das elektrische Dipolmoment 202e), welches an eine spezielle Spinkonfiguration (siehe Spins 202s) gekoppelt sein kann. For example, the spin configuration at the applied electric field may have less magnetic entropy (in this case, spin entropy). Clearly, due to the external electric field, an electrical dipole moment can form locally (illustrated in FIG 2 by the electric dipole moment 202e ) attached to a specific spin configuration (see Spins 202s ) can be coupled.

Beispielsweise kann sich eine pseudo-antiferromagnetische Ordnung aufgrund des elektrischen Dipolmoments ausbilden (nicht dargestellt).For example, a pseudo-antiferromagnetic order may form due to the electric dipole moment (not shown).

Basierend auf der Änderung der magnetischen Entropie, welche durch das elektrische Feld verursacht wird, kann eine Kühlvorrichtung bereitgestellt werden, wie nachfolgend im Detail beschrieben ist. Dabei dient das mindestens eine Magnetsystem 108 als Kühlelement oder ist Teil eines Kühlelements. Das Steuerprogramm 110p kann entsprechend eingerichtet sein, das mindestens eine Magnetsystem 108 derart zu beeinflussen, dass ein Kühleffekt erreicht wird.Based on the change in the magnetic entropy caused by the electric field, a cooling device can be provided, as described in detail below. In this case, the at least one magnet system is used 108 as a cooling element or is part of a cooling element. The control program 110p can be set up accordingly, the at least one magnet system 108 to influence such that a cooling effect is achieved.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuerprogramm 110p der Steuerung 110 der elektronischen Baugruppe 100 derart eingerichtet sein, dass ein erster magnetischer Soll-Zustand M1 mittels eines von der Elektrodenstruktur 102 erzeugten elektrischen Feldes 104 mit einer ersten elektrischen Feldstärke E1 begünstigt (anschaulich eingestellt) wird und dass ein zweiter magnetischer Soll-Zustand M2 mittels eines von der Elektrodenstruktur 102 erzeugten elektrischen Feldes 104 mit einer zweiten elektrischen Feldstärke E2 begünstigt (anschaulich eingestellt) wird, wobei die erste elektrische Feldstärke E1 beispielsweise größer ist als die zweite elektrische Feldstärke E2. Die zweite elektrische Feldstärke E2 kann beispielsweise auch null sein, d.h. es kann auch kein elektrisches Feld 104 angelegt sein, um beispielsweise den zweiten magnetischen Soll-Zustand M2 zu erzeugen.According to various embodiments, the control program 110p the controller 110 the electronic module 100 be set up such that a first magnetic target state M1 by means of one of the electrode structure 102 generated electric field 104 with a first electric field strength E1 favors (graphically adjusted) and that a second magnetic target state M2 by means of one of the electrode structure 102 generated electric field 104 with a second electric field strength E2 favors (graphically adjusted), being the first electric field strength E1 for example, greater than the second electric field strength E2 , The second electric field strength E2 For example, it can also be zero, ie it can not be an electric field 104 be applied, for example, the second magnetic target state M2 to create.

Der erste magnetische Soll-Zustand M1 kann dabei eine andere Entropie aufweisen als der zweite magnetische Soll-Zustand M2, so dass aufgrund der E-Feld-gesteuerten Entropieänderung eine (anschaulich magnetoelektrokalorische) Kühlung erfolgen kann.The first magnetic target state M1 may have a different entropy than the second magnetic target state M2 , so that due to the E-field-controlled Entropieänderung a (descriptive magnetoelektrokalorische) can be done cooling.

3A und 3B veranschaulichen eine Kühlvorrichtung 300 während deren Betriebs, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 3A and 3B illustrate a cooling device 300 during operation, according to various embodiments.

Die Kühlvorrichtung 300 kann beispielsweise eine Elektrodenstruktur 302 aufweisen zum Erzeugen eines elektrischen Feldes 304 in einem entsprechenden Feldbereich 306 sowie mindestens ein Kühlelement 308, welches in dem Feldbereich 306 angeordnet ist, wobei das mindestens eine Kühlelement 308 ein Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung aufweist oder daraus besteht.The cooling device 300 For example, an electrode structure 302 comprise for generating an electric field 304 in a corresponding field area 306 and at least one cooling element 308 which is in the field area 306 is arranged, wherein the at least one cooling element 308 comprises or consists of a magneto-electric coupling magnet system.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektrodenstruktur 302 der Kühlvorrichtung 300 in gleicher oder ähnlicher Weise ausgestaltet sein, wie es hierin für die Elektrodenstruktur 102 der elektronischen Baugruppe 100 beschrieben ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das mindestens eine Magnetsystem bzw. das mindestens eine Kühlelement 308 der Kühlvorrichtung 300 in gleicher oder ähnlicher Weise ausgestaltet sein, wie es hierin mit Bezug auf das mindestens eine Magnetsystem 108 der elektronischen Baugruppe 100 beschrieben ist.According to various embodiments, the electrode structure 302 the cooling device 300 be configured in the same or similar manner as described herein for the electrode structure 102 the electronic module 100 is described. According to various embodiments, the at least one magnet system or the at least one cooling element 308 the cooling device 300 be configured in the same or similar manner as described herein with respect to the at least one magnet system 108 the electronic module 100 is described.

Die Kühlvorrichtung 300 kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass eine Temperaturänderung, ΔT, und/oder eine Entropieänderung, ΔS, in dem Magnetsystem des Kühlelements 308 erzeugt wird, und zwar mittels einer Änderung, ΔE, des elektrischen Feldes 304 in dem Feldbereich 306, in dem das Magnetsystem angeordnet ist.The cooling device 300 For example, it may be arranged such that a temperature change, .DELTA.T , and / or an entropy change, .DELTA.S , in the magnet system of the cooling element 308 is generated, by means of a change, AE , the electric field 304 in the field area 306 in which the magnet system is arranged.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kühlvorrichtung 300 eine Steuerung 310 aufweisen zum Ansteuern der Elektrodenstruktur 302 gemäß einem Steuerprogramm 310p, wobei das Steuerprogramm 310p einen ersten Steuermodus 300a und einen zweiten Steuermodus 300b aufweist.According to various embodiments, the cooling device 300 a controller 310 have for driving the electrode structure 302 according to a control program 310p , where the control program 310p a first control mode 300a and a second control mode 300b having.

In dem ersten Steuermodus 300a (siehe 3A) kann beispielsweise das elektrische Feld 304 mittels der Elektrodenstruktur 302 verändert werden zum Beeinflussen eines magnetischen Zustands M des Magnetsystems. Beispielsweise kann der magnetischen Ist-Zustand M des Magnetsystems in einen ersten magnetischen Soll-Zustand M1 überführt werden.In the first control mode 300a (please refer 3A) For example, the electric field 304 by means of the electrode structure 302 be changed to influence a magnetic state M of the magnet system. For example, the actual magnetic state M of the magnet system in a first magnetic target state M1 be transferred.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste magnetischen Soll-Zustand M1 eine geringere magnetische Entropie aufweisen als der magnetische Zustand M vor dem Ändern, AE1, des elektrischen Feldes 304 in dem ersten Steuermodus 300a. Somit kann ein Erwärmen des mindestens einen Kühlelements 308 verursacht werden, z.B. mittels einer adiabatischen Zustandsänderung. Die Temperatur, T, des mindestens einen Kühlelements 308 kann sich beispielsweise auf eine erste Temperatur, T1, erhöhen.According to various embodiments, the first desired magnetic state M1 have a lower magnetic entropy than the magnetic state M before changing, AE1 , the electric field 304 in the first control mode 300a , Thus, heating of the at least one cooling element 308 caused by, for example, an adiabatic change of state. The temperature, T , the at least one cooling element 308 may, for example, be at a first temperature, T1 , increase.

Nach dem Ändern, ΔE1, des elektrischen Feldes 304 in dem ersten Steuermodus 300a kann das mindestens eine Kühlelement 308 an ein Wärmebad (auch als Wärmesenke bezeichnet) gekoppelt werden zum teilweisen oder vollständigen Abführen der entstandenen Wärme. Dabei kann sich die Temperatur eines Teils des mindestens einen Kühlelements 308 oder des gesamten mindestens einen Kühlelements 308 wieder absenken. Die mittels des Änderns, AE1, des elektrischen Feldes 304 verursachte Zustandsänderung kann beispielsweise adiabatisch erfolgen. Es versteht sich, dass das mindestens eine Kühlelement 308 auch vor dem Ändern, AE1, des elektrischen Feldes 304 mit einem Wärmebad verbunden sein kann oder werden kann. Die mittels des Änderns, AE1, des elektrischen Feldes 304 verursachte Zustandsänderung in dem ersten Steuermodus 300a kann beispielsweise auch im Wesentlichen isotherm erfolgen, wobei dennoch eine gewisse Temperaturerhöhung auftritt.After changing, ΔE1 , the electric field 304 in the first control mode 300a this can be at least one cooling element 308 coupled to a heat bath (also referred to as a heat sink) for partial or complete removal of the resulting heat. In this case, the temperature of a part of the at least one cooling element 308 or the entire at least one cooling element 308 lower again. By means of changing, AE1 , the electric field 304 caused state change can be done, for example, adiabatic. It is understood that the at least one cooling element 308 even before changing, AE1 , the electric field 304 can be or can be connected to a heat bath. By means of changing, AE1 , the electric field 304 caused state change in the first control mode 300a For example, it may also be essentially isothermal, although a certain increase in temperature still occurs.

In dem zweiten Steuermodus 300b (siehe 3B) kann das elektrische Feld mittels der Elektrodenstruktur 302 verändert werden zum Beeinflussen des magnetischen Ist-Zustands M. Beispielsweise kann der jeweilige magnetische Ist-Zustand M des Magnetsystems in einen zweiten magnetischen Soll-Zustand M2 überführt werden. Der zweite magnetische Soll-Zustand M2 des zweiten Steuermodus 300b ist verschieden von dem ersten magnetischen Soll-Zustand M1 des ersten Steuermodus 300a.In the second control mode 300b (please refer 3B) can the electric field by means of the electrode structure 302 be changed to influence the magnetic actual state M , For example, the respective actual magnetic state M of the magnet system in a second magnetic desired state M2 be transferred. The second magnetic target state M2 the second control mode 300b is different from the first magnetic target state M1 of the first control mode 300a ,

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite magnetische Soll-Zustand M2 eine größere magnetische Entropie aufweisen als der magnetische Zustand M vor dem Ändern, ΔE2, des elektrischen Feldes 304 in dem zweiten Steuermodus 300b. Somit kann ein Abkühlen des mindestens einen Kühlelements 308 verursacht werden, z.B. mittels einer zumindest teilweisen adiabatischen Zustandsänderung. Die Temperatur, T, des mindestens einen Kühlelements 308 kann sich beispielsweise auf eine zweite Temperatur T2 verringern.According to various embodiments, the second desired magnetic state M2 have a greater magnetic entropy than the magnetic state M before changing, ΔE2 , the electric field 304 in the second control mode 300b , Thus, cooling of the at least one cooling element 308 caused, for example by means of an at least partial adiabatic change of state. The temperature, T , the at least one cooling element 308 may, for example, to a second temperature T2 to decrease.

Nach dem Ändern, ΔE2, des elektrischen Feldes 304 in dem zweiten Steuermodus 300b kann das mindestens eine Kühlelement 308 an ein zu kühlendes Objekt gekoppelt werden. Dabei kann sich die Temperatur zumindest eines Teils des mindestens einen Kühlelements 308 wieder erhöhen. Die mittels des Änderns, ΔE2, des elektrischen Feldes 304 verursachte Zustandsänderung kann beispielsweise teilweise oder vollständig adiabatisch erfolgen. Es versteht sich, dass das mindestens eine Kühlelement 308 auch vor dem Ändern, ΔE2, des elektrischen Feldes 304 mit einem zu kühlenden Objekt verbunden sein kann oder werden kann. Die mittels des Änderns, ΔE2, des elektrischen Feldes 304 verursachte Zustandsänderung in dem zweiten Steuermodus 300b kann beispielsweise auch im Wesentlichen isotherm erfolgen, wobei dennoch eine gewisse Temperaturabsenkung auftritt.After changing, ΔE2 , the electric field 304 in the second control mode 300b this can be at least one cooling element 308 be coupled to an object to be cooled. In this case, the temperature of at least a part of the at least one cooling element 308 increase again. By means of changing, ΔE2 , the electric field 304 caused state change can be done, for example, partially or completely adiabatic. It is understood that the at least one cooling element 308 even before changing, ΔE2 , the electric field 304 can be connected to an object to be cooled or can be. By means of changing, ΔE2 , the electric field 304 caused state change in the second control mode 300b For example, it may also be essentially isothermal, although a certain temperature reduction nevertheless occurs.

4A bis 4E veranschaulichen die Kühlvorrichtung 300 zu verschiedenen Zeitpunkten 400a, 400b, 400c, 400d, 400e während deren Betriebs, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 4A to 4E illustrate the cooling device 300 at different times 400a . 400b . 400c . 400d . 400e during operation, according to various embodiments.

Zu einem ersten Zeitpunkt 400a, siehe 4A, kann beispielsweise kein elektrisches Feld in dem Feldbereich 306 erzeugt werden. Beispielsweise kann die an die Elektrodenstruktur 302 angelegte elektrische Spannung, U, null sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das mindestens eine Kühlelement 308 außerhalb des Feldbereichs 306 angeordnet sein, so dass beispielsweise kein elektrisches Feld auf das Magnetsystem des mindestens einen Kühlelements 308 wirkt. Zu diesem Zeitpunkt kann beispielsweise der (frustrierte) magnetische Grundzustand M1 des Magnetsystems (z.B. eine 2-in-2-out-Spin-Konfiguration) begünstigt sein. At a first time 400a , please refer 4A , for example, can not have an electric field in the field area 306 be generated. For example, the to the electrode structure 302 applied electrical voltage, U to be zero. Alternatively or additionally, the at least one cooling element 308 outside the field area 306 be arranged so that, for example, no electric field on the magnet system of the at least one cooling element 308 acts. At this point, for example, the (frustrated) magnetic ground state M1 of the magnet system (eg a 2 in 2 out spin configuration).

Zu einem zweiten Zeitpunkt 400b, siehe 4B, kann beispielsweise ein elektrisches Feld 304 in dem Feldbereich 306 erzeugt werden, z.B. mit einem vordefinierten elektrischen Feldstärkewert E1. Beispielsweise kann die an die Elektrodenstruktur 302 angelegte elektrische Spannung, U, verschieden von null sein. Ferner ist das mindestens eine Kühlelement 308 innerhalb des Feldbereichs 306 angeordnet, so dass beispielsweise das elektrisches Feld 304 das Magnetsystem des mindestens einen Kühlelements 308 beeinflussen kann. Zu diesem Zeitpunkt kann beispielsweise ein anderer magnetischer Zustand M2 (z.B. eine 3-in-1-out-Spin-Konfiguration und/oder eine 1-in-3-out-SpinKonfiguration) als der (frustrierte) magnetische Grundzustand M1 des Magnetsystems begünstigt sein.At a second time 400b , please refer 4B , for example, can be an electric field 304 in the field area 306 be generated, for example, with a predefined electric field strength value E1 , For example, the to the electrode structure 302 applied electrical voltage, U to be different from zero. Furthermore, this is at least one cooling element 308 within the field area 306 arranged so that, for example, the electric field 304 the magnet system of the at least one cooling element 308 can influence. At this time, for example, another magnetic state M2 (eg, a 3-in-1 out spin configuration and / or a 1 in 3 out spin configuration) as the (frustrated) ground magnetic state M1 favored by the magnet system.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der mittels des elektrischen Feldes 304 begünstigte magnetische Zustand M2 eine geringere magnetische Entropie als der magnetische Grundzustand M1 aufweisen, so dass bei einer zumindest teilweise adiabatischen Zustandsänderung eine Temperaturänderung, z.B. eine Temperaturerhöhung, verursacht werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Temperaturänderung, ΔT, des mindestens einen Kühlelements 308 größer als 1 K sein, z.B. größer als 5 K oder größer als 10 K. Dabei kann die Temperatur T des mindestens einen Kühlelements 308 vor dem Anlegen des elektrischen Feldes 304 weniger als 20 K betragen, z.B. weniger als 10 K oder weniger als 5 K.According to various embodiments, the means of the electric field 304 favored magnetic state M2 a lower magnetic entropy than the magnetic ground state M1 have, so that in an at least partially adiabatic state change, a temperature change, such as a temperature increase can be caused. According to various embodiments, a temperature change, .DELTA.T , the at least one cooling element 308 be greater than 1 K, for example, greater than 5 K or greater than 10 K. The temperature T of the at least one cooling element 308 before applying the electric field 304 less than 20 K, eg less than 10 K or less than 5 K.

Zu einem dritten Zeitpunkt 400c, siehe 4C, kann beispielsweise das mindestens eine Kühlelement 308 mit einem Wärmebad 408 gekoppelt sein oder werden derart, dass die Temperatur T1 des mindestens einen Kühlelements 308 abgesenkt wird, z.B. auf die Ausgangstemperatur T, oder dass zumindest ein Temperaturgradient in dem mindestens einen Kühlelement 308 entsteht.At a third time 400c , please refer 4C , For example, the at least one cooling element 308 with a heat bath 408 be coupled or become such that the temperature T1 of the at least one cooling element 308 is lowered, for example, to the starting temperature T, or that at least one temperature gradient in the at least one cooling element 308 arises.

Zu einem vierten Zeitpunkt 400d, siehe 4D, kann beispielsweise wieder kein elektrisches Feld in dem Feldbereich 306 erzeugt werden. Beispielsweise kann die an die Elektrodenstruktur 302 angelegte elektrische Spannung, U, wieder null sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das mindestens eine Kühlelement 308 wieder außerhalb des Feldbereichs 306 angeordnet sein, so dass beispielsweise kein elektrisches Feld auf das Magnetsystem des mindestens einen Kühlelements 308 wirkt. Zu diesem Zeitpunkt kann beispielsweise wieder der (frustrierte) magnetische Grundzustand M1 des Magnetsystems (z.B. eine 2-in-2-out-SpinKonfiguration) begünstigt sein.At a fourth time 400d , please refer 4D For example, again no electric field in the field area 306 be generated. For example, the to the electrode structure 302 applied electrical voltage, U, be zero again. Alternatively or additionally, the at least one cooling element 308 again outside the field area 306 be arranged so that, for example, no electric field on the magnet system of the at least one cooling element 308 acts. For example, at this point in time, the (frustrated) magnetic ground state can again M1 of the magnet system (eg a 2 in 2 out spin configuration).

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der ohne anliegendes elektrisches Feld begünstigte magnetische Grundzustand M1 eine größere magnetische Entropie als der mittels des elektrischen Feldes 304 begünstigte magnetische Zustand M2 aufweisen, so dass bei einer zumindest teilweisen adiabatischen Zustandsänderung eine Temperaturänderung, z.B. eine Temperaturverringerung, verursacht werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Temperaturänderung, ΔT, des mindestens einen Kühlelements 308 (vom Betrag her) größer als 1 K sein, z.B. größer als 5 K oder größer als 10 K. Dabei kann die Temperatur T des mindestens einen Kühlelements 308 vor dem Abschalten des elektrischen Feldes 304 weniger als 20 K betragen, z.B. weniger als 10 K oder weniger als 5 K.According to various embodiments, the magnetic ground state favored without the applied electric field M1 a greater magnetic entropy than that by means of the electric field 304 favored magnetic state M2 have, so that at an at least partial adiabatic state change, a temperature change, such as a reduction in temperature can be caused. According to various embodiments, a temperature change, ΔT, of the at least one cooling element 308 (in terms of amount) be greater than 1 K, for example, greater than 5 K or greater than 10 K. The temperature T of the at least one cooling element 308 before switching off the electric field 304 less than 20 K, eg less than 10 K or less than 5 K.

Vor dem Abschalten des elektrischen Feldes 304 kann das mindestens eine Kühlelement 308 von dem Wärmebad 408 thermisch entkoppelt werden.Before switching off the electric field 304 this can be at least one cooling element 308 from the heat bath 408 thermally decoupled.

Zu einem fünften Zeitpunkt 400e, siehe 4E, kann beispielsweise das mindestens eine Kühlelement 308 mit einem zu kühlenden Objekt 418 gekoppelt werden derart, dass die Temperatur T2 des mindestens einen Kühlelements 308 erhöht wird, z.B. auf die Ausgangstemperatur T, oder dass zumindest ein Temperaturgradient in dem mindestens einen Kühlelement 308 entsteht.At a fifth time 400e , please refer 4E , For example, the at least one cooling element 308 with an object to be cooled 418 be coupled such that the temperature T2 of the at least one cooling element 308 is increased, for example, to the starting temperature T , or that at least one temperature gradient in the at least one cooling element 308 arises.

Anschließend kann das mindestens eine Kühlelement 308 von dem zu kühlenden Objekt 418 thermisch entkoppelt werden, wodurch wieder der Zustand des ersten Zeitpunkts 400a erreicht werden kann.Subsequently, the at least one cooling element 308 from the object to be cooled 418 thermally decoupled, which again the state of the first time 400a can be achieved.

5 veranschaulicht ein schematisches Entropiediagramm 500 des mindestens einen Magnetsystems 108, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Dabei ist die Entropie des mindestens einen Magnetsystems 108 auf der vertikalen Achse aufgetragen und die Temperatur des mindestens einen Magnetsystems 108 auf der horizontalen Achse. Eine erste Entropiekurve 500a zeigt die Temperaturabhängigkeit der Entropie des mindestens einen Magnetsystems 108 ohne ein angelegtes elektrisches Feld 304 und eine zweite Entropiekurve 500b zeigt diese Abhängigkeit mit einem angelegten elektrischen Feld 304 (vgl. 3A bis 4E). 5 illustrates a schematic entropy diagram 500 of the at least one magnet system 108 according to various embodiments. Here is the entropy of the at least one magnet system 108 plotted on the vertical axis and the temperature of the at least one magnet system 108 on the horizontal axis. A first entropy curve 500a shows the temperature dependence of the entropy of the at least one magnet system 108 without an applied electric field 304 and a second entropy curve 500b shows this dependence with an applied electric field 304 (see. 3A to 4E) ,

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können beispielsweise zwei Wärmeschalter 508, 518 verwendet werden zum thermischen Koppeln des mindestens einen Kühlelements 308 an ein Wärmebad 408 (siehe beispielsweise Schaltzustand 2 in 5), an ein zu kühlendes Objekt 418 (siehe beispielsweise Schaltzustand 4 in 5), oder zum thermischen Entkoppeln des mindestens einen Kühlelements 308 von dem Wärmebad 408 und dem zu kühlenden Objekt 418 (siehe beispielsweise Schaltzustände 1 und 3 in 5). According to various embodiments, for example, two thermal switches 508 . 518 used for thermal coupling of the at least one cooling element 308 to a heat bath 408 (see, for example, switching state 2 in 5 ), to an object to be cooled 418 (see, for example, switching state 4 in 5 ), or for thermal decoupling of the at least one cooling element 308 from the heat bath 408 and the object to be cooled 418 (see, for example, switching states 1 and 3 in 5 ).

6 veranschaulicht eine Kühlvorrichtungsanordnung 600 in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Kühlvorrichtungsanordnung 600 kann beispielsweise mindestens eine Kühlvorrichtung 300 oder mindestens ein Kühlelement 308 aufweisen. Ferner kann die Kühlvorrichtungsanordnung 600 eine Wärmesenke 608 (auch als Wärmebad bezeichnet) aufweisen, welche mittels eines ersten Wärmeschalters 608s mit der mindestens einen Kühlvorrichtung 300 bzw. dem mindestens einen Kühlelement 308 thermisch verbunden werden kann. Ferner kann die Kühlvorrichtungsanordnung 600 mindestens ein zu kühlendes Objekt 618 aufweisen, welches mittels eines zweiten Wärmeschalters 618s mit der mindestens einen Kühlvorrichtung 300 bzw. dem mindestens einen Kühlelement 308 thermisch verbunden werden kann. 6 illustrates a cooling device assembly 600 in a schematic view, according to various embodiments. The cooler assembly 600 For example, at least one cooling device 300 or at least one cooling element 308 respectively. Furthermore, the cooling device arrangement 600 a heat sink 608 (also referred to as a heat bath), which by means of a first heat switch 608S with the at least one cooling device 300 or the at least one cooling element 308 can be thermally connected. Furthermore, the cooling device arrangement 600 at least one object to be cooled 618 have, which by means of a second heat switch 618S with the at least one cooling device 300 or the at least one cooling element 308 can be thermally connected.

7 veranschaulicht ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Betreiben einer Kühlvorrichtung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Kühlvorrichtung kann beispielsweise in gleicher Weise oder in ähnlicher Weise eingerichtet sein, wie vorangehend mit Bezug auf die Kühlvorrichtung 300 beschrieben ist, siehe beispielsweise 3A bis 5. 7 illustrates a schematic flow diagram of a method 700 for operating a cooling device, according to various embodiments. For example, the cooling device may be configured in a similar manner or in a similar manner as described above with respect to the cooling device 300 see, for example, see 3A to 5 ,

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 700 Folgendes aufweisen: in 710, ein erstes Verändern (ΔE1) eines elektrischen Feldes in einem Feldbereich, wobei in dem Feldbereich mindestens ein Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung angeordnet ist, und dadurch Erwärmen des mindestens einen Magnetsystems; und, anschließend, in 720, ein zweites Verändern (ΔE2) des elektrischen Feldes in dem Feldbereich und dadurch Abkühlen des mindestens einen Magnetsystems.According to various embodiments, the method 700 Have: in 710 a first changing (ΔE1) of an electric field in a field region, wherein in the field region at least one magneto-electric coupling magnet system is arranged, and thereby heating the at least one magnet system; and, subsequently, in 720 , a second change ( ΔE2 ) of the electric field in the field region and thereby cooling the at least one magnet system.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 700 derart ausgestaltet sein oder werden, wie es bezüglich des Betriebs der Kühlvorrichtung 300 hierin beschrieben ist.According to various embodiments, the method 700 be configured or become, as it is with respect to the operation of the cooling device 300 described herein.

Beispielsweise kann ein magnetischer Zustand M des mindestens einen Magnetsystems 108 mittels des ersten Veränderns (ΔE1) des elektrischen Feldes 304 in einen ersten magnetischen Soll-Zustand M1 und mittels des zweiten Veränderns (ΔE2) des elektrischen Feldes 304 in einen zweiten magnetischen Soll-Zustand M2 gebracht werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der magnetische Zustand M des mindestens einen Magnetsystems 108 alternierend in den ersten magnetischen Soll-Zustand M1 und den zweiten magnetischen Soll-Zustand M2 gebracht werden.For example, a magnetic state M of the at least one magnet system 108 by means of the first modification ( ΔE1 ) of the electric field 304 in a first magnetic target state M1 and by means of the second modification ( ΔE2 ) of the electric field 304 in a second magnetic target state M2 to be brought. According to various embodiments, the magnetic state M of the at least one magnet system 108 alternating in the first magnetic desired state M1 and the second magnetic target state M2 to be brought.

8A und 8B veranschaulichen jeweils eine Kühlanordnung 800, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Kühlanordnung 800 kann beispielsweise ein Wärmebad 818, einen thermischen Dämpfer 828, zwei einzeln (z.B. magnetisch) ansteuerbaren Wärmeschalter 818s, 828s (z.B. supraleitende oder magnetostriktive Wärmeschalter) sowie ein Kühlelement 808 aufweisen. Das Kühlelement 808 der Kühlanordnung 800 kann in gleicher oder ähnlicher Weise ausgestaltet sein, wie das mindestens eine Kühlelement 308, das hierin mit Bezug auf die Kühlvorrichtung 300 beschrieben ist. 8A and 8B each illustrate a cooling arrangement 800 according to various embodiments. The cooling arrangement 800 For example, a heat bath 818 , a thermal damper 828 , two individually (eg magnetically) controllable thermal switch 818s . 828s (eg superconducting or magnetostrictive thermal switches) as well as a cooling element 808 respectively. The cooling element 808 the cooling arrangement 800 may be configured in the same or similar manner as the at least one cooling element 308 referred to herein with respect to the cooling device 300 is described.

Der thermische Dämpfer 828 kann beispielsweise einen Metallblock (z.B. aus Kupfer) aufweisen oder daraus bestehen. Alternativ dazu kann jede geeignete thermische Masse als thermischen Dämpfer 828 verwendet werden.The thermal damper 828 For example, it may comprise or consist of a metal block (eg of copper). Alternatively, any suitable thermal mass may be used as a thermal damper 828 be used.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Kühlelement 808 ein Spin-Eis-Material aufweisen oder daraus bestehen. Das Kühlelement 808 kann eine Kondensatoranordnung aufweisen oder zwischen zwei Elektroden einer Kondensatoranordnung angeordnet sein zum Beeinflussen des Spin-Eis-Materials mittels eines von der Kondensatoranordnung erzeugten elektrischen Feldes. Die Kondensatoranordnung kann beispielsweise mittels einer entsprechend ausgestalteten Steuerung angesteuert werden zum Verändern des elektrischen Feldes und somit zum Verändern einer magnetischen Ordnung in dem Spin-Eis-Material. Das Verändern des elektrischen Feldes kann beispielsweise ein An- oder Abschalten des elektrischen Feldes sein, verursacht durch ein wahlweises Bereitstellen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden der Kondensatoranordnung. In ähnlicher Weise kann das Verändern des elektrischen Feldes beispielsweise ein Verändern der elektrischen Feldstärke des elektrischen Feldes sein, z.B. von einem ersten Feldstärkewert auf einen zweiten Feldstärkewert. Anschaulich kann ein Feldstärkewert von null ein abgeschaltetes (nicht mittels der Kondensatoranordnung angelegtes) elektrisches Feld repräsentieren.According to various embodiments, the cooling element 808 have or consist of a spin-ice material. The cooling element 808 may comprise a capacitor arrangement or be arranged between two electrodes of a capacitor arrangement for influencing the spin-ice material by means of an electric field generated by the capacitor arrangement. The capacitor arrangement can be controlled, for example, by means of a suitably designed control for changing the electric field and thus for changing a magnetic order in the spin-ice material. The changing of the electric field may, for example, be an on or off of the electric field, caused by an optional provision of an electrical voltage between the electrodes of the capacitor arrangement. Similarly, changing the electric field may be, for example, varying the electric field strength of the electric field, eg, from a first field strength value to a second field strength value. Clearly, a field strength value of zero may represent a cut-off (not applied by the capacitor array) electric field.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Spin-Eis-Material als Schicht ausgebildet sein und zwischen zwei Elektrodenschichten eingebettet sein. Anschaulich kann das Kühlelement 808 als Schichtstapel ausgebildet sein, wobei der Schichtstapel eine Spin-Eis-Materialschicht oder mehrere Spin-Eis-Materialschichten aufweist sowie mindestens zwei elektrisch leitfähige (z.B. supraleitende) Elektrodenschichten. Die Elektrodenschichten können beispielsweise ein supraleitendes Metall (z.B. Aluminium) aufweisen oder daraus bestehen. Die Elektrodenschichten können beispielsweise eine supraleitende Metallverbindung (z.B. NbN, MoN, TiN, etc.) aufweisen oder daraus bestehen.According to various embodiments, the spin-ice material may be formed as a layer and embedded between two electrode layers. Illustratively, the cooling element 808 be formed as a layer stack, wherein the layer stack a spin-ice material layer or has a plurality of spin-ice material layers and at least two electrically conductive (eg superconducting) electrode layers. The electrode layers may comprise or consist of, for example, a superconducting metal (eg aluminum). The electrode layers may, for example, comprise or consist of a superconducting metal compound (eg NbN, MoN, TiN, etc.).

Ein erster Wärmeschalter 818s kann wahlweise das Kühlelement 808 mit dem Wärmebad 818 thermisch koppeln. Ein zweiter Wärmeschalter 828s kann wahlweise den thermischen Dämpfer 828 mit dem Kühlelement 808 thermisch koppeln. Das Wärmebad 818 kann beispielsweise mittels flüssigen Heliums bereitgestellt sein oder werden. Die zu kühlende Materie kann an den thermischen Dämpfer 828 gekoppelt sein oder werden. Alternativ dazu kann die zu kühlende Materie direkt (anstelle des Dämpfers 828) mittels des zweiten Wärmeschalter 828s an das Kühlelement 808 gekoppelt sein oder werden. Vor Beginn des Kühlprozesses können beispielsweise alle Bauteile im thermischen Gleichgewicht sein, z.B. bei einer Temperatur in einem Bereich von ungefähr 1 K bis ungefähr 20 K bereitgestellt durch das Wärmebad 818.A first heat switch 818s Optionally, the cooling element 808 with the heat bath 818 couple thermally. A second heat switch 828s Optionally, the thermal damper 828 with the cooling element 808 couple thermally. The heat bath 818 may be provided by liquid helium, for example. The matter to be cooled can be connected to the thermal damper 828 be coupled or become. Alternatively, the matter to be cooled directly (instead of the damper 828 ) by means of the second thermal switch 828s to the cooling element 808 be coupled or become. For example, prior to the start of the cooling process, all components may be in thermal equilibrium, eg at a temperature in a range of about 1 K to about 20 K provided by the heat bath 818 ,

Wie in 8A veranschaulicht ist, kann der erste Wärmeschalter 818s geschlossen sein oder werden und der zweite Wärmeschalter 828s geöffnet sein oder werden. Somit kann anschaulich der thermische Kontakt von dem Kühlelement 808 zu dem thermischen Dämpfer 828 unterbrochen und der thermische Kontakt von dem Kühlelement 808 zu dem Wärmebad hergestellt werden. Währenddessen oder danach kann, gemäß einer Ausführungsform, eine elektrische Spannung an die Elektroden der Kondensatoranordnung angelegt werden und das Kühlelement 808 kann mittels des von der Kondensatoranordnung erzeugten elektrischen Feldes beeinflusst werden.As in 8A is illustrated, the first thermal switch 818s be closed or be and the second heat switch 828s be open or become. Thus, illustratively, the thermal contact of the cooling element 808 to the thermal damper 828 interrupted and the thermal contact of the cooling element 808 be made to the heat bath. During or after this, according to one embodiment, an electrical voltage can be applied to the electrodes of the capacitor arrangement and the cooling element 808 can be influenced by means of the electric field generated by the capacitor arrangement.

Das Spin-Eis-Material des Kühlelements 808 kann beispielsweise dadurch erwärmt werden, dass das elektrische Feld angelegt und/oder verändert wird. Dies kann beispielsweise so verstanden werden, dass das Spinsystem aufgrund der in dem Spin-Eis-Material vorliegenden magnetoelektrischen Kopplung von dem elektrischen Feld derart beeinflusst wird, dass sich die Spins zu einem gewissen Grad ordnen und somit die magnetische Entropie gesenkt wird. Das kann dazu führen, dass sich das Phononen-System erwärmt.The spin-ice material of the cooling element 808 For example, it can be heated by applying and / or changing the electric field. This can be understood, for example, to be such that the spin system is influenced by the electric field due to the magnetoelectric coupling present in the spin ice material, such that the spins are arranged to some degree and thus the magnetic entropy is lowered. This can cause the phonon system to heat up.

Diese entstehende Wärme 800a kann an das Wärmebad 818 abgegeben werden, wenn der erste Wärmeschalter 818s geschlossen ist, wie in 8A veranschaulicht ist.This resulting heat 800a can to the heat bath 818 are delivered when the first heat switch 818s is closed as in 8A is illustrated.

Wie in 8B veranschaulicht ist, kann als nächster Schritt der erste Wärmeschalter 818s geöffnet werden und der zweite Wärmeschalter 828s kann geschlossen werden. Daraufhin kann das mittels der Kondensatoranordnung erzeugte elektrische Feld abgeschaltet oder zumindest reduziert werden. Das Spin-Eis-Material kann beispielsweise dadurch abgekühlt werden, dass ein angelegtes elektrisches Feld verändert wird, z.B. abgeschaltet oder zumindest reduziert wird. Dies kann beispielsweise so verstanden werden, dass das durch ein Abschalten oder zumindest Reduzieren der elektrischen Feldstärke das zuvor geordnete Spinsystem wieder in einen ungeordneteren Zustand übergeht und dem thermischen Dämpfer 828 bzw. auch der zu kühlenden Materie Wärme 800b entzieht, wenn der zweite Wärmeschalter 828s geschlossen ist.As in 8B is illustrated, the next step may be the first thermal switch 818s be opened and the second heat switch 828s can be closed. Thereupon, the electric field generated by means of the capacitor arrangement can be switched off or at least reduced. The spin-ice material can be cooled, for example, by changing an applied electric field, for example, switching it off or at least reducing it. This can, for example, be understood to mean that, by switching off or at least reducing the electric field strength, the previously ordered spin system again changes to a more disordered state and the thermal damper 828 or the matter to be cooled heat 800b withdraws when the second heat switch 828s closed is.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Zyklus kontinuierlich wiederholt werden und erzeugt wiederholt (z.B. periodisch) eine pulsartige Kühlleistung. Der thermische Dämpfer 828, welcher eine optimierte Wärmeleitung und Wärmekapazität aufweisen kann, sorgt beispielsweise dafür, dass die pulsartige Kühlleistung als kontinuierliche Kühlleistung an dem zu kühlenden Objekt ankommt.According to various embodiments, the cycle may be repeated continuously and repeatedly (eg, periodically) generates a pulse-like cooling performance. The thermal damper 828 , which may have an optimized heat conduction and heat capacity, ensures, for example, that the pulse-like cooling power arrives as a continuous cooling power to the object to be cooled.

9A und 9B veranschaulichen eine Ausgestaltung der Kühlanordnung 800, wobei diese mindestens zwei Kühlelemente 808a, 808b aufweist. 9A and 9B illustrate an embodiment of the cooling arrangement 800 These are at least two cooling elements 808a . 808b having.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können beispielsweise mindestens zwei Kühlelemente 808a, 808b (vorzugsweise mit voneinander verschiedenen Spin-Eis-Materialien) zwischen dem Wärmebad 818 und dem thermischen Dämpfer 828 in Reihe geschaltet sein. Die Spin-Eis-Materialien könnend derart gewählt sein, dass das erste Kühlelement 808a einen niedrigeren optimalen Arbeitspunkt aufweist als das zweite Kühlelement 808b. Zum In-Reihe-Schalten der Kühlelemente 808a, 808b können mehrere (z.B. drei) Wärmeschalter 818s, 828s, 918 verwendet werden, wie in den 9A und 9B veranschaulicht ist. In einem ersten Schritt können der erste Wärmeschalter 818s zwischen dem zweiten Kühlelement 808b und dem Wärmebad und der zweite Wärmeschalter 828s zwischen dem ersten Kühlelement 808a und dem thermischen Dämpfer 828 geöffnet sein oder werden und der dritte Wärmeschalter 918 zwischen den beiden Kühlelementen 808a, 808b kann geschlossen sein oder werden, wie in 9A veranschaulicht ist.According to various embodiments, for example, at least two cooling elements 808a . 808b (preferably with different spin-ice materials) between the heat bath 818 and the thermal damper 828 be connected in series. The spin-ice materials may be chosen such that the first cooling element 808a has a lower optimum operating point than the second cooling element 808b , For in-line switching of the cooling elements 808a . 808b can have several (eg three) thermal switches 818s . 828s . 918 be used as in the 9A and 9B is illustrated. In a first step, the first heat switch 818s between the second cooling element 808b and the heat bath and the second heat switch 828s between the first cooling element 808a and the thermal damper 828 be open or be and the third heat switch 918 between the two cooling elements 808a . 808b can be closed or become, as in 9A is illustrated.

Wenn nun beispielsweise ein elektrisches Feld an das erste Kühlelement 808a angelegt wird, kann Wärme 900a von dem ersten Kühlelement 808a zu dem zweiten Kühlelement 808b übertragen werden, sofern der dritte Wärmeschalter 918 geschlossen ist.For example, if an electric field to the first cooling element 808a can be applied, can heat 900a from the first cooling element 808a to the second cooling element 808b be transferred, provided the third heat switch 918 closed is.

Danach können der erste Wärmeschalter 818s und der zweite Wärmeschalter 828s geschlossen werden. Ferner kann der dritte Wärmeschalter 918 geöffnet werden, wie in 9B veranschaulicht ist. Somit kann Wärme 900b von dem thermischen Dämpfer 828 zu dem ersten Kühlelement 808a übertragen werden. Ferner kann somit Wärme 900c von dem zweiten Kühlelement an das Wärmebad 818 übertragen werden, wie in 9B veranschaulicht ist. Durch diese Anordnung beispielsweise kann eine höhere Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmebad 818 und dem thermischen Dämpfer 828 überbrückt werden. After that, the first heat switch 818s and the second thermal switch 828s getting closed. Furthermore, the third thermal switch 918 be opened as in 9B is illustrated. Thus, heat can 900b from the thermal damper 828 to the first cooling element 808a be transmitted. Furthermore, thus heat 900c from the second cooling element to the heat bath 818 be transferred as in 9B is illustrated. By this arrangement, for example, a higher temperature difference between the heat bath 818 and the thermal damper 828 be bridged.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann allgemein anstelle der Wärmeschalter ein Fluid verwendet werden zum Bereitstellen des Wärmeflusses. Dabei kann das Fluid beispielsweise bewegt werden um Wärme zum einen von dem Kühlelement zum Wärmebad und zum anderen von dem thermischen Dämpfer bzw. dem zu kühlenden Objekt an das Kühlelement zu übertragen. Ferner könnte auch ein Austauschgas als Wärmeschalter verwendet werden, wobei diese wahlweise abgepumpt oder zugeführt wird zum Bilden des thermischen Kontakts.According to various embodiments, generally, instead of the thermal switches, a fluid may be used to provide the heat flow. In this case, the fluid can be moved, for example, to transfer heat to the cooling element on the one hand from the cooling element to the heat bath and on the other hand from the thermal damper or the object to be cooled. Further, a replacement gas could also be used as the thermal switch, optionally being pumped or supplied to form the thermal contact.

Aufgrund der elektrischen Ansteuerung der Kühlelemente, wie sie hierin beschrieben ist, kann beispielsweise ein Netzwerk aus einer Vielzahl von Kühlelementen bereitgestellt werden, wobei die jeweiligen Kühlelemente mittels einer Vielzahl von Wärmeschaltern miteinander verbunden sein oder werden können.Due to the electrical control of the cooling elements, as described herein, for example, a network can be provided from a plurality of cooling elements, wherein the respective cooling elements can be or be interconnected by means of a plurality of heat switches.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Kühlelemente eines derartigen Netzwerks mittels der Wärmeschalter in verschiedene Konfigurationen gebracht werden können.According to various embodiments, the cooling elements of such a network can be brought into different configurations by means of the thermal switches.

10A und 10B veranschaulichen eine Kühlelementanordnung 1000 (anschaulich ein Netzwerk aus mehreren Kühlelementen 1008) in verschiedenen Konfigurationen, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 10A and 10B illustrate a cooling element arrangement 1000 (vividly a network of several cooling elements 1008 ) in various configurations, according to various embodiments.

Jedes der mehreren Kühlelemente 1008 der Kühlelementanordnung 1000 kann ein Magnetsystem 108 mit magnetoelektrischer Kopplung aufweisen, wie hierin beschrieben ist. Jedes der mehreren Kühlelemente 1008 der Kühlelementanordnung 1000 kann in gleicher oder ähnlicher Weise ausgestaltet sein wie das hierin mit Bezug auf die Kühlvorrichtung 300 beschriebene mindestens eine Kühlelement 308 oder wie das hierin mit Bezug auf die Kühlanordnung 800 beschriebene Kühlelement 808.Each of the several cooling elements 1008 the cooling element arrangement 1000 can be a magnet system 108 having magnetoelectric coupling as described herein. Each of the several cooling elements 1008 the cooling element arrangement 1000 may be configured in the same or similar manner as described herein with respect to the cooling device 300 described at least one cooling element 308 or as herein with respect to the cooling arrangement 800 described cooling element 808 ,

Die mehreren Kühlelemente 1008 können beispielsweise ein zu kühlendes Objekt 1028 mit einer Wärmesenke 1018 (anschaulich einem Wärmebad) verbinden.The several cooling elements 1008 can for example be an object to be cooled 1028 with a heat sink 1018 (clearly a heat bath) connect.

Ferner kann die Kühlelementanordnung 1000 eine Elektrodenstruktur oder mehrere Elektrodenstrukturen aufweisen (nicht dargestellt) zum Beeinflussen der mehreren Kühlelemente 1008 mittels entsprechend erzeugter äußerer elektrischer Felder.Furthermore, the cooling element arrangement 1000 an electrode structure or a plurality of electrode structures (not shown) for influencing the plurality of cooling elements 1008 by means of correspondingly generated external electric fields.

Ferner kann die Kühlelementanordnung 1000 eine Wärmeschalteranordnung 1038 und eine Schaltersteuerung 1040 zum Ansteuern der Wärmeschalteranordnung 1038 aufweisen. Dabei können die Wärmeschalteranordnung 1038 und die Schaltersteuerung 1040 derart eingerichtet sein, dass in einem ersten Schaltmodus 1000a (siehe 10A) mindestens zwei der mehreren Kühlelemente 1008 in Reihe geschaltet sind, und in einem zweiten Schaltmodus 1000b (siehe 10B) zumindest zwei der mehreren Kühlelemente 1008 parallelgeschaltet sind.Furthermore, the cooling element arrangement 1000 a thermal switch assembly 1038 and a switch controller 1040 for driving the thermal switch assembly 1038 respectively. In this case, the thermal switch arrangement 1038 and the switch control 1040 be set up such that in a first switching mode 1000a (please refer 10A) at least two of the plurality of cooling elements 1008 are connected in series, and in a second switching mode 1000b (please refer 10B) at least two of the plurality of cooling elements 1008 are connected in parallel.

Wie in 10A veranschaulicht ist, können beispielsweise mittels der Wärmeschalteranordnung 1038 mehrere (zum Beispiel 4, oder auch mehr als 4) Kühlelemente 1008 zwischen dem Wärmebad 1018 und dem zu kühlenden Objekt 1028 in Reihe geschaltet werden. Somit kann beispielsweise die Temperaturdifferenz, die mittels der Kühlelementanordnung 1000 zwischen dem Wärmebad 1018 und dem zu kühlenden Objekt 1028 erreicht werden kann, beeinflusst werden. Anschaulich kann die Temperaturdifferenz umso größer sein, je mehr Kühlelemente 1008 in Reihe geschaltet sind.As in 10A can be illustrated, for example, by means of the thermal switch arrangement 1038 several (for example 4, or even more than 4) cooling elements 1008 between the heat bath 1018 and the object to be cooled 1028 be connected in series. Thus, for example, the temperature difference, by means of the cooling element arrangement 1000 between the heat bath 1018 and the object to be cooled 1028 can be affected. Clearly, the temperature difference can be greater, the more cooling elements 1008 are connected in series.

Wie in 10B veranschaulicht ist, können beispielsweise mittels der Wärmeschalteranordnung 1038 mehrere (zum Beispiel jeweils zwei, oder auch mehr als 2) Kühlelemente 1008 zwischen dem Wärmebad 1018 und dem zu kühlenden Objekt 1028 parallelgeschaltet werden. Somit kann beispielsweise die Kühlleistung, die mittels der Kühlelementanordnung 1000 zwischen dem Wärmebad 1018 und dem zu kühlenden Objekt 1028 erreicht werden kann, beeinflusst werden. Anschaulich kann die Kühlleistung umso größer sein, je mehr parallele Zweige bereitgestellt sind.As in 10B can be illustrated, for example, by means of the thermal switch arrangement 1038 several (for example, each two, or more than 2) cooling elements 1008 between the heat bath 1018 and the object to be cooled 1028 be connected in parallel. Thus, for example, the cooling capacity, by means of the cooling element arrangement 1000 between the heat bath 1018 and the object to be cooled 1028 can be affected. Clearly, the more parallel branches are provided, the greater the cooling capacity.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kühlelementanordnung 1000 mittels der Wärmeschalteranordnung 1038 und der entsprechenden Schaltersteuerung 1040 mittels entsprechender Schaltzyklen an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Die hier aufgeführten Beispiele dienen nur dazu die Prinzipien und Möglichkeiten zu verdeutlichen und es sind beliebig viele Kombinationen von Kühlelementen und Wärmeschaltern denkbar.According to various embodiments, the cooling element arrangement 1000 by means of the thermal switch arrangement 1038 and the corresponding switch control 1040 be adapted to different requirements by means of appropriate switching cycles. The examples listed here serve only to clarify the principles and possibilities and there are any number of combinations of cooling elements and heat switches conceivable.

Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf das vorangehend Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.In the following, various examples will be described referring to the foregoing and illustrated in the figures.

Beispiel 1 ist eine Elektronische Baugruppe 100, aufweisend: eine Elektrodenstruktur 102 zum Erzeugen eines elektrischen Feldes 104 in einem Feldbereich 106, welcher der Elektrodenstruktur 102 zugeordnet ist; mindestens ein Magnetsystem 108 mit magnetoelektrischer Kopplung, welches in dem Feldbereich 106 angeordnet ist; eine Steuerung 110 zum Ansteuern der Elektrodenstruktur 102 gemäß einem Steuerprogramm 110p, wobei das Steuerprogramm 110p derart eingerichtet ist, dass ein magnetischer Zustand M des Magnetsystems 108 mittels eines von der Elektrodenstruktur 102 erzeugten elektrischen Feldes 104 in mindestens einen magnetischen Soll-Zustand M1 überführt wird. Example 1 is an electronic assembly 100 comprising: an electrode structure 102 for generating an electric field 104 in a field area 106 , which of the electrode structure 102 assigned; at least one magnet system 108 with magnetoelectric coupling, which in the field area 106 is arranged; a controller 110 for driving the electrode structure 102 according to a control program 110p , where the control program 110p is set up such that a magnetic state M of the magnet system 108 by means of one of the electrode structure 102 generated electric field 104 in at least one magnetic desired state M1 is transferred.

Beispiel 2 ist eine Elektronische Baugruppe 100, aufweisend: eine Elektrodenstruktur 102 zum Erzeugen eines elektrischen Feldes 104 in einem Feldbereich 106, welcher der Elektrodenstruktur 102 zugeordnet ist; mindestens ein Magnetsystem 108 mit magnetoelektrischer Kopplung, welches in dem Feldbereich 106 angeordnet ist; eine Steuerung 110 zum Ansteuern der Elektrodenstruktur 102 gemäß einem Steuerprogramm 110p, wobei das Steuerprogramm 110p derart eingerichtet ist, dass ein magnetischer Soll-Zustand M1 (anschaulich ein Soll-Ordnungszustand) des mindestens ein Magnetsystems 108 mittels eines von der Elektrodenstruktur 102 erzeugten elektrischen Feldes 104 begünstigt wird.Example 2 is an electronic assembly 100 comprising: an electrode structure 102 for generating an electric field 104 in a field area 106 , which of the electrode structure 102 assigned; at least one magnet system 108 with magnetoelectric coupling, which in the field area 106 is arranged; a controller 110 for driving the electrode structure 102 according to a control program 110p , where the control program 110p is set up such that a desired magnetic state M1 (Illustratively, a desired order state) of the at least one magnet system 108 by means of one of the electrode structure 102 generated electric field 104 is favored.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann beispielsweise mittels einer Messung der magnetischen Suszeptibilität im elektrischen Feld eine Änderung im magnetischen Zustand gemessen werden. Der hierin verwendete Begriff „begünstig“ kann beispielsweise im Sinne von gesamtenergetisch niedriger verstanden werden, so dass sich beispielsweise eine entsprechende magnetische Ordnung aufgrund der Energieminimierung einstellt.According to various embodiments, for example, by means of a measurement of the magnetic susceptibility in the electric field, a change in the magnetic state can be measured. The term "favorable" as used herein may be understood, for example, to mean lower energy, so that, for example, a corresponding magnetic order is established due to the energy minimization.

In Beispiel 3 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß Beispiel 1 oder 2 ferner aufweisen, dass der magnetische Zustand M eine Spinkonfiguration ist und dass der mindestens eine magnetische Soll-Zustand M1 mindestens eine Soll-Spinkonfiguration ist.In Example 3, the electronic module 100 According to Example 1 or 2, further that the magnetic state M is a spin configuration and that the at least one magnetic desired state M1 is at least one desired spin configuration.

In Beispiel 4 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß Beispiel 3 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem 108 einen frustrierten magnetischen Grundzustand aufweist, wobei der frustrierte magnetische Grundzustand eine erste Spinkonfiguration begünstigt.In Example 4, the electronic module 100 According to Example 3, furthermore, that the magnet system 108 has a frustrated magnetic ground state, the frustrated magnetic ground state favoring a first spin configuration.

In Beispiel 5 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß Beispiel 4 ferner aufweisen, dass mittels des von der Elektrodenstruktur 102 erzeugten elektrischen Feldes 104 eine zweite Spinkonfiguration begünstigt wird, die eine geringer Spin-Entropie aufweist als die erste Spinkonfiguration.In Example 5, the electronic module 100 according to Example 4, furthermore, that by means of the electrode structure 102 generated electric field 104 favoring a second spin configuration that has less spin entropy than the first spin configuration.

In Beispiel 6 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß Beispiel 5 ferner aufweisen, dass die zweite Spinkonfiguration eine pseudo-antiferromagnetische makroskopische Ordnung aufweist.In Example 6, the electronic module 100 according to Example 5, further that the second spin configuration has a pseudo-antiferromagnetic macroscopic order.

In Beispiel 7 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß Beispiel 5 oder 6 ferner aufweisen, dass die erste Spinkonfiguration eine tetraedrische Anordnung der Spins mit zwei nach innen und zwei nach außen gerichteten Spins ist (2-in-2-out Konfiguration).In Example 7, the electronic module 100 according to Example 5 or 6 further that the first spin configuration is a tetrahedral arrangement of the spins with two inward and two outward spins (2-in-2-out configuration).

In Beispiel 8 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß einem der Beispiele 5 bis 7 ferner aufweisen, dass die zweite Spinkonfiguration eine tetraedrische Anordnung der Spins mit drei nach innen gerichteten Spins und einem nach außen gerichteten Spin (3-in-1-out Konfiguration) und/oder mit einem nach innen gerichteten Spin und drei nach außen gerichteten Spins ist (1-in-3-out Konfiguration) ist.In Example 8, the electronic module 100 according to any one of examples 5 to 7, the second spin configuration further comprises a tetrahedral arrangement of the spins with three inwardly directed spins and an outward spin (3 in 1 out configuration) and / or with an inward spin and three outward-directed spins is (1-in-3-out configuration).

In Beispiel 9 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß einem der Beispiele 5 bis 8 ferner aufweisen, dass die mindestens eine Soll-Spinkonfiguration mit der ersten oder der zweiten Spinkonfiguration korreliert ist.In Example 9, the electronic module 100 according to any one of examples 5 to 8, further that the at least one desired spin configuration is correlated with the first or the second spin configuration.

In Beispiel 10 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß einem der Beispiele 5 bis 9 ferner aufweisen, dass das Steuerprogramm 110p derart angerichtet ist, dass die mindestens eine Soll-Spinkonfiguration mit einer alternierenden Abfolge der ersten Spinkonfiguration und der zweiten Spinkonfiguration korreliert ist.In Example 10, the electronic module 100 according to one of the examples 5 to 9, furthermore, that the control program 110p is so arranged that the at least one desired spin configuration is correlated with an alternating sequence of the first spin configuration and the second spin configuration.

In Beispiel 11 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 10 ferner aufweisen, dass das Steuerprogramm 110p derart angerichtet ist, dass der mindestens eine magnetische Soll-Zustand M1 eine alternierende Abfolge eines ersten magnetischen Soll-Zustand M1 und eines zweiten magnetischen Soll-Zustands M2 ist wobei der erste magnetische Soll-Zustand M1 eine magnetische Entropie aufweist die verschieden von der magnetischen Entropie des zweiten magnetischen Soll-Zustands M2 ist.In Example 11, the electronic module 100 according to one of the examples 1 to 10, furthermore, that the control program 110p is arranged such that the at least one magnetic desired state M1 an alternating sequence of a first magnetic target state M1 and a second desired magnetic state M2 where is the first magnetic target state M1 magnetic entropy is different from magnetic entropy of the second target magnetic state M2 is.

In Beispiel 12 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 11 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem 108 ein frustrierter Pyrochlormagnet ist.In Example 12, the electronic module 100 According to one of the examples 1 to 11, furthermore, that the magnet system 108 is a frustrated pyrochlormagnet.

In Beispiel 13 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 12 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem 108 ein Spin-Eis-Material und/oder ein Quanten-Spin-Eis-Material aufweist oder daraus besteht.In example 13, the electronic module 100 according to any of examples 1 to 12 furthermore, that the magnet system 108 comprises or consists of a spin-ice material and / or a quantum spin-ice material.

In Beispiel 14 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 13 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem 108 ein Material aufweist oder daraus besteht, wobei das Material charakterisiert ist durch die Summenformel A₂B₂O₆X, wobei X eines aus Sauerstoff (O), Hydroxygruppe (OH) oder Fluor (F) ist. Dabei sind stehen A, B, X symbolisch für entsprechende Elemente und das O der Summenformel ist Sauerstoff.In Example 14, the electronic module 100 according to one of the examples 1 to 13, furthermore, that the magnet system 108 comprises or consists of a material characterized by the molecular formula A ₂ B ₂ O ₆ X, where X is one of oxygen (O), hydroxy (OH) or fluorine (F). Here, A, B, X are symbolic of corresponding elements and the O of the empirical formula is oxygen.

In Beispiel 15 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß Beispiel 14 ferner aufweisen, dass das Material, vorzugsweise A der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: Ca, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Cd, In, Tl, Hg, Sb, Bi; und dass das Material, vorzugsweise B der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Si, Ge, Sn, Pb.In Example 15, the electronic module 100 according to Example 14, that the material, preferably A of the empirical formula, has at least one of the following elements: Ca, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, He, Tm, Yb, Cd, In, Tl, Hg, Sb, Bi; and that the material, preferably B of the empirical formula, has at least one of the following elements: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt , Ag, Si, Ge, Sn, Pb.

In Beispiel 16 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 13 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem 108 ein Material aufweist oder daraus besteht, wobei das Material charakterisiert ist durch die Summenformel AB₂C₄. Dabei sind stehen A, B, C symbolisch für entsprechende ElementeIn Example 16, the electronic module 100 according to one of the examples 1 to 13, furthermore, that the magnet system 108 comprises or consists of a material, the material being characterized by the empirical formula AB ₂ C ₄ . Here are A, B, C symbolic of corresponding elements

In Beispiel 17 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß Beispiel 16 ferner aufweisen, dass das Material, vorzugsweise A der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Hg; und
dass das Material, vorzugsweise B der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb; und
dass das Material, vorzugsweise C der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: 0, S, Se, Te.In Example 17, the electronic module 100 according to Example 16, further that the material, preferably A of the empirical formula, has at least one of the following elements: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Hg; and
the material, preferably B of the empirical formula, has at least one of the following elements: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb; and
the material, preferably C of the empirical formula, has at least one of the following elements: O, S, Se, Te.

In Beispiel 18 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 17 ferner aufweisen: mindestens eine Spannungsquelle 110s, welche mit der Elektrodenstruktur 102 gekoppelt ist, wobei die mindestens eine Spannungsquelle 110s derart mittels der Steuerung 110 gemäß dem Steuerprogramm 110p angesteuert wird, dass das mittels der Elektrodenstruktur 102 erzeugte elektrische Feld 104 eine elektrische Feldstärke E von mehr als 100 V/cm aufweist, vorzugsweise mehr als 1 kV/cm oder mehr als 10 kV/cm.In Example 18, the electronic module 100 according to one of the examples 1 to 17 further comprise: at least one voltage source 110s , which with the electrode structure 102 is coupled, wherein the at least one voltage source 110s such by the controller 110 according to the control program 110p is controlled, that by means of the electrode structure 102 generated electric field 104 has an electric field strength E of more than 100 V / cm, preferably more than 1 kV / cm or more than 10 kV / cm.

In Beispiel 19 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 18 ferner aufweisen, dass das Steuerprogramm 110p derart eingerichtet ist, dass ein erster magnetischer Soll-Zustand M1 mittels eines von der Elektrodenstruktur 102 erzeugten elektrischen Feldes 104 mit einer ersten elektrischen Feldstärke E1 eingestellt wird und ein zweiter magnetischer Soll-Zustand M2 mittels eines von der Elektrodenstruktur 102 erzeugten elektrischen Feldes 104 mit einer zweiten elektrischen Feldstärke E2 eingestellt wird, wobei die erste elektrische Feldstärke E1 größer ist als die zweite elektrische Feldstärke E2.In Example 19, the electronic module 100 according to one of the examples 1 to 18 furthermore show that the control program 110p is set up such that a first magnetic desired state M1 by means of one of the electrode structure 102 generated electric field 104 with a first electric field strength E1 is set and a second magnetic target state M2 by means of one of the electrode structure 102 generated electric field 104 with a second electric field strength E2 is set, wherein the first electric field strength E1 is greater than the second electric field strength E2 ,

In Beispiel 20 kann die Elektronische Baugruppe 100 gemäß Beispiel 19 ferner aufweisen, dass die erste elektrische Feldstärke E1 größer ist als 100 V/cm, vorzugsweise größer als 1 kV/cm oder größer als 10 kV/cm; und dass die zweite elektrische Feldstärke E2 kleiner ist als 100 V/cm, vorzugsweise kleiner als 10 V/cm oder kleiner als 1 V/cm.In Example 20, the electronic module 100 According to Example 19, furthermore, that the first electric field strength E1 greater than 100 V / cm, preferably greater than 1 kV / cm or greater than 10 kV / cm; and that the second electric field strength E2 is less than 100 V / cm, preferably less than 10 V / cm or less than 1 V / cm.

Beispiel 21 ist eine Kühlvorrichtung 300, aufweisend: eine Elektrodenstruktur 302 zum Erzeugen eines elektrischen Feldes 304 in einem Feldbereich 306, welcher der Elektrodenstruktur 302 zugeordnet ist; mindestens ein Kühlelement 308, welches in dem Feldbereich 306 angeordnet ist, wobei das mindestens eine Kühlelement 308 ein Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung aufweist oder daraus besteht; eine Steuerung 310 zum Ansteuern der Elektrodenstruktur 302 gemäß einem Steuerprogramm 310p, wobei das Steuerprogramm 310p derart eingerichtet ist, dass (i) in einem ersten Steuermodus 300a das elektrische Feld 304 mittels der Elektrodenstruktur 302 verändert wird zum Überführen eines magnetischen Zustands M des Magnetsystems in einen ersten magnetischen Soll-Zustand M1 und zum Erwärmen des mindestens einen Kühlelements 308 und (ii) in einem zweiten Steuermodus 300b das elektrische Feld 304 mittels der Elektrodenstruktur 302 verändert wird zum Überführen des magnetischen Zustands M des Magnetsystems in einen zweiten magnetischen Soll-Zustand M2, welcher von dem ersten magnetischen Soll-Zustand M1 verschieden ist, und zum Abkühlen des mindestens einen Kühlelements 308. Dabei kann das Magnetsystem genau eine Magnetsystemkomponente (z.B. genau ein Spin-Eis Material aufweisen) oder das Magnetsystem kann mehrere voneinander verschiedene Magnetsystemkomponenten aufweisen (z.B. zwei Bereiche mit voneinander verschiedenen Spin-Eis-Materialien).Example 21 is a cooling device 300 comprising: an electrode structure 302 for generating an electric field 304 in a field area 306 , which of the electrode structure 302 assigned; at least one cooling element 308 which is in the field area 306 is arranged, wherein the at least one cooling element 308 has or consists of a magneto-electric coupling magnet system; a controller 310 for driving the electrode structure 302 according to a control program 310p , where the control program 310p is set up such that (i) in a first control mode 300a the electric field 304 by means of the electrode structure 302 is changed to transfer a magnetic state M of the magnetic system in a first magnetic target state M1 and for heating the at least one cooling element 308 and (ii) in a second control mode 300b the electric field 304 by means of the electrode structure 302 is changed to transfer the magnetic state M of the magnetic system in a second magnetic target state M2 which is from the first magnetic target state M1 is different, and for cooling the at least one cooling element 308 , In this case, the magnet system can have exactly one magnet system component (eg exactly one spin-ice material) or the magnet system can have a plurality of magnet system components which are different from one another (eg two regions with spin-ice materials different from each other).

Beispiel 22 ist eine Kühlvorrichtung 300, aufweisend: eine Elektrodenstruktur 302 zum Erzeugen eines elektrischen Feldes 304 in einem Feldbereich 306, welcher der Elektrodenstruktur 302 zugeordnet ist; mindestens ein Kühlelement 308, welches in dem Feldbereich 306 angeordnet ist, wobei das mindestens eine Kühlelement 308 ein Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung aufweist oder daraus besteht; eine Steuerung 310 zum Ansteuern der Elektrodenstruktur 302 gemäß einem Steuerprogramm 310p, wobei das Steuerprogramm 310p derart eingerichtet ist, dass (i) in einem ersten Steuermodus 300a das elektrische Feld 304 mittels der Elektrodenstruktur 302 verändert wird zum Begünstigen eines ersten magnetischen Soll-Zustands M1 des Magnetsystems und Erwärmen des mindestens einen Kühlelements 308, und (ii) in einem zweiten Steuermodus 300b das elektrische Feld 304 mittels der Elektrodenstruktur 302 verändert wird zum Begünstigen eines zweiten magnetischen Soll-Zustands M2 des Magnetsystems, welcher von dem ersten magnetischen Soll-Zustand M1 verschieden ist, und Abkühlen des mindestens einen Kühlelements 308. Dabei kann das Magnetsystem genau eine Magnetsystemkomponente (z.B. genau ein Spin-Eis Material aufweisen) oder das Magnetsystem kann mehrere voneinander verschiedene Magnetsystemkomponenten aufweisen (z.B. zwei Bereiche mit voneinander verschiedenen Spin-Eis-Materialien).Example 22 is a cooling device 300 comprising: an electrode structure 302 for generating an electric field 304 in a field area 306 , which of the electrode structure 302 assigned; at least one cooling element 308 which is in the field area 306 is arranged, wherein the at least one cooling element 308 has or consists of a magneto-electric coupling magnet system; a controller 310 for driving the electrode structure 302 according to a control program 310p , where the control program 310p is set up such that (i) in a first control mode 300a the electric field 304 by means of the electrode structure 302 is changed to favor a first magnetic target state M1 of Magnet system and heating of the at least one cooling element 308 , and (ii) in a second control mode 300b the electric field 304 by means of the electrode structure 302 is changed to favor a second magnetic target state M2 of the magnet system, which of the first magnetic target state M1 is different, and cooling the at least one cooling element 308 , In this case, the magnet system can have exactly one magnet system component (eg exactly one spin-ice material) or the magnet system can have a plurality of magnet system components which are different from one another (eg two regions with spin-ice materials different from each other).

In Beispiel 23 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß Beispiel 21 oder Beispiel 22 ferner aufweisen, dass der erste magnetische Soll-Zustand M1 eine geringere Entropie aufweist als der zweite magnetische Soll-Zustand M2.In Example 23, the cooling device 300 According to Example 21 or Example 22 further comprising that the first magnetic target state M1 has a lower entropy than the second magnetic target state M2 ,

In Beispiel 24 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 23 ferner aufweisen, dass in dem ersten Steuermodus 300a die elektrische Feldstärke des elektrischen Feldes 304 vergrößert wird, vorzugsweise auf einen vordefinierten ersten Feldstärkewert E1 gebracht wird.In example 24, the cooling device 300 according to one of the examples 21 to 23, that in the first control mode 300a the electric field strength of the electric field 304 is increased, preferably to a predefined first field strength value E1 is brought.

In Beispiel 25 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 24 ferner aufweisen, dass in dem zweiten Steuermodus 300b die elektrische Feldstärke des elektrischen Feldes 304 verringert wird, vorzugsweise auf einen vordefinierten zweiten Feldstärkewert E2 gebracht wird.In Example 25, the cooling device 300 according to one of examples 21 to 24, further that in the second control mode 300b the electric field strength of the electric field 304 is reduced, preferably to a predefined second field strength value E2 is brought.

In Beispiel 26 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß Beispiel 21 bis 23 ferner aufweisen, dass die elektrische Feldstärke in dem ersten Steuermodus 300a auf einen vordefinierten ersten Feldstärkewert E1 und in dem zweiten Steuermodus 300b auf einen vordefinierten zweiten Feldstärkewert E2 gebracht wird, wobei der Quotient E1/E2 aus dem vordefinierten ersten Feldstärkewert E1 und dem vordefinierten zweiten Feldstärkewert E2 größer ist als 100.In Example 26, the cooling device 300 According to Example 21 to 23 further show that the electric field strength in the first control mode 300a to a predefined first field strength value E1 and in the second control mode 300b to a predefined second field strength value E2 is brought, the quotient E1 / E2 from the predefined first field strength value E1 and the predefined second field strength value E2 greater than 100.

In Beispiel 27 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 25 ferner aufweisen, dass der vordefinierte erste Feldstärkewert E1 größer ist als 100 V/cm, vorzugsweise größer als 1 kV/cm oder größer als 10 kV/cm.In Example 27, the cooling device 300 According to one of examples 21 to 25, the predefined first field strength value E1 greater than 100 V / cm, preferably greater than 1 kV / cm or greater than 10 kV / cm.

In Beispiel 28 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 25 ferner aufweisen, dass der vordefinierte zweite Feldstärkewert E2 kleiner ist als 100 V/cm, vorzugsweise kleiner als 10 V/cm oder kleiner als 1 V/cm.In Example 28, the cooling device 300 According to one of examples 21 to 25, the predefined second field strength value E2 is less than 100 V / cm, preferably less than 10 V / cm or less than 1 V / cm.

In Beispiel 29 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 28 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem einen frustrierten magnetischen Grundzustand aufweist, wobei der frustrierte magnetische Grundzustand eine erste Spinkonfiguration begünstigt.In Example 29, the cooling device 300 According to one of examples 21 to 28, the magnet system also has a frustrated magnetic ground state, wherein the frustrated magnetic ground state favors a first spin configuration.

In Beispiel 30 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß Beispiel 29 ferner aufweisen, dass mittels des von der Elektrodenstruktur 302 erzeugten elektrischen Feldes 304 bei einer elektrischen Feldstärke von mehr als 100 V/cm ein zweite Spinkonfiguration begünstigt wird.In example 30, the cooling device 300 according to Example 29, furthermore, that by means of the electrode structure 302 generated electric field 304 at an electric field strength of more than 100 V / cm, a second spin configuration is favored.

In Beispiel 31 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß Beispiel 29 oder 30 ferner aufweisen, dass die zweite Spinkonfiguration eine pseudo-antiferromagnetische makroskopische Ordnung aufweist.In Example 31, the cooling device 300 according to Example 29 or 30, further that the second spin configuration has a pseudo-antiferromagnetic macroscopic order.

In Beispiel 32 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 29 bis 31 ferner aufweisen, dass die erste Spinkonfiguration eine tetraedrische Anordnung der Spins mit zwei nach innen und zwei nach außen gerichteten Spins ist (2-in-2-out Konfiguration).In example 32, the cooling device 300 according to any one of examples 29 to 31, furthermore, that the first spin configuration is a tetrahedral arrangement of the spins with two inwardly and two outwardly directed spins (2-in-2-out configuration).

In Beispiel 33 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 29 bis 32 ferner aufweisen, dass die zweite Spinkonfiguration eine tetraedrische Anordnung der Spins mit drei nach innen gerichteten Spins und einem nach außen gerichteten Spin (3-in-1-out Konfiguration) oder mit einem nach innen gerichteten Spin und drei nach außen gerichteten Spins ist (1-in-3-out Konfiguration) ist.In Example 33, the cooling device 300 according to any one of examples 29 to 32, further comprising the second spin configuration having a tetrahedral arrangement of the spins with three inward spins and one outward spin (3 in 1 out configuration) or with one inward spin and three outward-directed spins is (1-in-3-out configuration).

In Beispiel 34 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 33 ferner aufweisen, dass der magnetische Zustand M eine Spinkonfiguration ist und dass der erste magnetische Soll-Zustand M1 eine erste Soll-Spinkonfiguration ist und der zweite magnetische Soll-Zustand M2 eine zweite Soll-Spinkonfiguration ist.In example 34, the cooling device 300 According to one of examples 21 to 33, further that the magnetic state M is a spin configuration and that the first magnetic target state M1 is a first desired spin configuration and the second magnetic target state M2 is a second desired spin configuration.

In Beispiel 35 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß den Beispiele 21, 30 und 34 ferner aufweisen, dass die mindestens eine erste Soll-Spinkonfiguration die zweite Spinkonfiguration ist, und dass die mindestens eine zweite Soll-Spinkonfiguration die erste Spinkonfiguration.In example 35, the cooling device 300 According to examples 21, 30 and 34, furthermore, that the at least one first desired spin configuration is the second spin configuration, and that the at least one second desired spin configuration is the first spin configuration.

In Beispiel 36 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 35 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem ein frustrierter Pyrochlormagnet ist.In example 36, the cooling device 300 according to one of examples 21 to 35, further that the magnet system is a frustrated pyrochlormagnet.

In Beispiel 37 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 36 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem ein Spin-Eis-Material und/oder ein Quanten-Spin-Eis-Material aufweist oder daraus besteht.In example 37, the cooling device 300 according to any one of examples 21 to 36, further comprising that the magnet system comprises or consists of a spin-ice material and / or a quantum spin-ice material.

In Beispiel 38 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 37 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem 108 ein Material aufweist oder daraus besteht, wobei das Material charakterisiert ist durch die Summenformel A₂B₂O₆X, wobei X eines aus Sauerstoff (O), Hydroxygruppe (OH) oder Fluor (F) ist. Dabei sind stehen A, B, X symbolisch für entsprechende Elemente und das O der Summenformel ist Sauerstoff.In example 38, the cooling device 300 according to any of Examples 21 to 37 further have that magnet system 108 comprises or consists of a material characterized by the molecular formula A ₂ B ₂ O ₆ X, where X is one of oxygen (O), hydroxy (OH) or fluorine (F). Here, A, B, X are symbolic of corresponding elements and the O of the empirical formula is oxygen.

In Beispiel 39 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß Beispiel 39 ferner aufweisen, dass das Material, vorzugsweise A der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: Ca, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Cd, In, Tl, Hg, Sb, Bi; und
dass das Material, vorzugsweise B der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Si, Ge, Sn, Pb.In example 39, the cooling device 300 according to Example 39, furthermore, that the material, preferably A of the empirical formula, has at least one of the following elements: Ca, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, He, Tm, Yb, Cd, In, Tl, Hg, Sb, Bi; and
the material, preferably B of the empirical formula, has at least one of the following elements: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Si, Ge, Sn, Pb.

In Beispiel 40 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 37 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem 108 ein Material aufweist oder daraus besteht, wobei das Material charakterisiert ist durch die Summenformel AB₂C₄. Dabei sind stehen A, B, C symbolisch für entsprechende ElementeIn example 40, the cooling device 300 according to one of the examples 21 to 37, furthermore, that the magnet system 108 comprises or consists of a material, the material being characterized by the empirical formula AB ₂ C ₄ . Here are A, B, C symbolic of corresponding elements

In Beispiel 41 kann die Kühlvorrichtung 300 gemäß Beispiel 40 ferner aufweisen, dass das Material, vorzugsweise A der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Hg; und
dass das Material, vorzugsweise B der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb; und
dass das Material, vorzugsweise C der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: O, S, Se, Te.In example 41, the cooling device 300 according to Example 40, further that the material, preferably A of the empirical formula, has at least one of the following elements: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Hg; and
the material, preferably B of the empirical formula, has at least one of the following elements: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb; and
the material, preferably C of the empirical formula, has at least one of the following elements: O, S, Se, Te.

Beispiel 42 ist eine Kühlvorrichtungsanordnung 600 aufweisend: mindestens eine Kühlvorrichtung 300 gemäß einem der Beispiele 21 bis 41; eine Wärmesenke 608, welche mittels eines ersten Wärmeschalters 608s mit der mindestens einen Kühlvorrichtung 300 thermisch verbunden werden kann; und mindestens ein zu kühlendes Objekt 618, welches mittels eines zweiten Wärmeschalters 618s mit der mindestens einen Kühlvorrichtung 300 thermisch verbunden werden kann.Example 42 is a cooler assembly 600 comprising: at least one cooling device 300 according to any of examples 21 to 41; a heat sink 608 , which by means of a first heat switch 608S with the at least one cooling device 300 can be thermally connected; and at least one object to be cooled 618 , which by means of a second heat switch 618S with the at least one cooling device 300 can be thermally connected.

Beispiel 43 ist eine Kühlelementanordnung 1000, aufweisend: mehrere Kühlelemente 1008, wobei jedes der mehreren Kühlelemente 1008 ein Magnetsystem 108 mit magnetoelektrischer Kopplung aufweist; mindestens eine Elektrodenstruktur zum Beeinflussen der mehreren Kühlelemente 1008 mittels eines von der mindestens einen Elektrodenstruktur erzeugten elektrischen Feldes; eine Wärmeschalteranordnung 1038 und eine Schaltersteuerung 1040 zum Ansteuern der Wärmeschalteranordnung 1038, wobei die Wärmeschalteranordnung 1038 und die Schaltersteuerung 1040 derart eingerichtet sind, dass in einem ersten Schaltmodus 1000a mindestens zwei der mehreren Kühlelemente 1008 in Reihe geschaltet sind, und in einem zweiten Schaltmodus 1000b zumindest zwei der mehreren Kühlelemente 1008 parallelgeschaltet sind.Example 43 is a cooling element arrangement 1000 comprising: a plurality of cooling elements 1008 wherein each of the plurality of cooling elements 1008 a magnet system 108 having magnetoelectric coupling; at least one electrode structure for influencing the plurality of cooling elements 1008 by means of an electric field generated by the at least one electrode structure; a thermal switch assembly 1038 and a switch controller 1040 for driving the thermal switch assembly 1038 wherein the thermal switch assembly 1038 and the switch control 1040 are set up such that in a first switching mode 1000a at least two of the plurality of cooling elements 1008 are connected in series, and in a second switching mode 1000b at least two of the plurality of cooling elements 1008 are connected in parallel.

Beispiel 44 ist ein Verfahren 700 zum Betreiben einer Kühlvorrichtung 300, das Verfahren 700 aufweisend: ein erstes Verändern eines elektrischen Feldes 304 in einem Feldbereich 306, wobei in dem Feldbereich 306 (mindestens) ein Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung angeordnet ist, und dadurch Erwärmen des Magnetsystems; und, anschließend, ein zweites Verändern des elektrischen Feldes 304 in dem Feldbereich 306 und dadurch Abkühlen des Magnetsystems. Dabei kann das Magnetsystem genau eine Magnetsystemkomponente (z.B. genau ein Spin-Eis Material aufweisen) oder das Magnetsystem kann mehrere voneinander verschiedene Magnetsystemkomponenten aufweisen (z.B. zwei Bereiche mit voneinander verschiedenen Spin-Eis-Materialien).Example 44 is a method 700 for operating a cooling device 300 , the procedure 700 comprising: a first changing an electric field 304 in a field area 306 , wherein in the field area 306 (at least) a magneto-electric coupling magnet system is arranged, thereby heating the magnet system; and, subsequently, a second altering of the electric field 304 in the field area 306 and thereby cooling the magnet system. In this case, the magnet system can have exactly one magnet system component (eg exactly one spin-ice material) or the magnet system can have a plurality of magnet system components which are different from one another (eg two regions with spin-ice materials different from each other).

In Beispiel 45 kann das Verfahren 700 gemäß Beispiel 44 ferner aufweisen, dass ein magnetischer Zustand M des Magnetsystems mittels des ersten Veränderns in einen ersten magnetischen Soll-Zustand M1 und mittels des zweiten Veränderns in einen zweiten magnetischen Soll-Zustand M2 gebracht wird.In Example 45, the method 700 According to Example 44 further comprise that a magnetic state M of the magnet system by means of the first changing in a first magnetic target state M1 and by means of the second changing to a second magnetic desired state M2 is brought.

In Beispiel 46 kann das Verfahren 700 gemäß Beispiel 44 ferner aufweisen, dass das erste Verändern des elektrischen Feldes 304 derart erfolgt, dass ein erster magnetischen Soll-Zustand M1 begünstigt wird, und dass das zweite Verändern des elektrischen Feldes 304 derart erfolgt, dass ein zweiter magnetischen Soll-Zustand M2 begünstigt wird.In Example 46, the method 700 According to Example 44 further comprising that the first changing of the electric field 304 such that a first magnetic target state M1 is favored, and that the second changing of the electric field 304 such that a second magnetic target state M2 is favored.

In Beispiel 47 kann das Verfahren 700 gemäß Beispiel 45 oder 46 ferner aufweisen, dass der zweite magnetische Soll-Zustand M2 eine größere Entropie aufweist als der erste magnetische Soll-Zustand M1.In Example 47, the method 700 According to Example 45 or 46 further that the second magnetic target state M2 has a greater entropy than the first magnetic target state M1 ,

In Beispiel 48 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 44 bis 47 ferner aufweisen, dass das erste Verändern des elektrischen Feldes 304 aufweist, die elektrische Feldstärke des elektrischen Feldes 304 in dem Feldbereich 306 zu vergrößern, vorzugsweise auf einen vordefinierten ersten Feldstärkewert E1 einzustellen.In example 48, the method 700 according to one of the examples 44 to 47 further comprising that the first changing of the electric field 304 has, the electric field strength of the electric field 304 in the field area 306 to increase, preferably to a predefined first field strength value E1 adjust.

In Beispiel 49 kann das Verfahren 700 gemäß Beispiel 48 ferner aufweisen, dass der vordefinierte erste Feldstärkewert E1 größer ist als 100 V/cm, vorzugsweise größer als 1 kV/cm oder größer als 10 V/cm.In Example 49, the method 700 according to example 48, that the predefined first field strength value E1 greater than 100 V / cm, preferably greater than 1 kV / cm or greater than 10 V / cm.

In Beispiel 50 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 44 bis 49 ferner aufweisen, dass das zweite Verändern des elektrischen Feldes 304 aufweist, die elektrische Feldstärke des elektrischen Feldes 304 in dem Feldbereich 306 zu verringern, vorzugsweise auf einen vordefinierten zweiten Feldstärkewert E2 einzustellen. In Example 50, the method 700 According to one of the examples 44 to 49 further comprising that the second changing of the electric field 304 has, the electric field strength of the electric field 304 in the field area 306 to reduce, preferably to a predefined second field strength value E2 adjust.

In Beispiel 51 kann das Verfahren 700 gemäß Beispiel 50 ferner aufweisen, dass der vordefinierte zweite Feldstärkewert E2 kleiner ist als 100 V/cm, vorzugsweise kleiner als 10 V/cm oder kleiner als 1 V/cm.In example 51, the method 700 According to example 50 further comprise that the predefined second field strength value E2 is less than 100 V / cm, preferably less than 10 V / cm or less than 1 V / cm.

In Beispiel 52 kann das Verfahren 700 gemäß den Beispiele 48 und 50 ferner aufweisen, dass der Quotient E1/E2 aus dem vordefinierten ersten Feldstärkewert E1 und dem vordefinierten zweiten Feldstärkewert E2 größer ist als 100.In Example 52, the method 700 according to examples 48 and 50, further that the quotient E1 / E2 from the predefined first field strength value E1 and the predefined second field strength value E2 greater than 100.

In Beispiel 53 kann das Verfahren 700 gemäß Beispiel 52 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem einen frustrierten magnetischen Grundzustand aufweist, wobei der frustrierte magnetische Grundzustand eine erste Spinkonfiguration begünstigt.In Example 53, the method 700 according to Example 52, further that the magnet system has a frustrated magnetic ground state, wherein the frustrated magnetic ground state favors a first spin configuration.

In Beispiel 54 kann das Verfahren 700 gemäß Beispiel 53 ferner aufweisen, dass mittels des von der Elektrodenstruktur 302 erzeugten elektrischen Feldes 304 bei einer elektrischen Feldstärke von mehr als 100 V/cm ein zweite Spinkonfiguration begünstigt wird.In example 54, the method 700 According to Example 53, further that by means of the of the electrode structure 302 generated electric field 304 at an electric field strength of more than 100 V / cm, a second spin configuration is favored.

In Beispiel 55 kann das Verfahren 700 gemäß Beispiel 53 oder 54 ferner aufweisen, dass die zweite Spinkonfiguration eine pseudo-antiferromagnetische makroskopische Ordnung aufweist.In Example 55, the method 700 according to Example 53 or 54, further that the second spin configuration has a pseudo-antiferromagnetic macroscopic order.

In Beispiel 56 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 53 bis 55 ferner aufweisen, dass die erste Spinkonfiguration eine tetraedrische Anordnung der Spins mit zwei nach innen und zwei nach außen gerichteten Spins ist (2-in-2-out Konfiguration).In example 56, the method 700 according to any of examples 53-55, further that the first spin configuration is a tetrahedral arrangement of the spins with two inward and two outward spins (2-in-2-out configuration).

In Beispiel 57 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 53 bis 56 ferner aufweisen, dass die zweite Spinkonfiguration eine tetraedrische Anordnung der Spins mit drei nach innen gerichteten Spins und einem nach außen gerichteten Spin (3-in-1-out Konfiguration) oder mit einem nach innen gerichteten Spin und drei nach außen gerichteten Spins ist (1-in-3-out Konfiguration) ist.In Example 57, the method 700 according to one of examples 53 to 56, further that the second spin configuration has a tetrahedral arrangement of the spins with three inward spins and one outward spin (3 in 1 out configuration) or with one inward spin and three outward-directed spins is (1-in-3-out configuration).

In Beispiel 58 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 45, 53 und 54 ferner aufweisen, dass der magnetische Zustand M eine Spinkonfiguration ist und dass der erste magnetische Soll-Zustand M1 die zweite Spinkonfiguration ist und der zweite magnetische Soll-Zustand M2 die erste Spinkonfiguration ist.In Example 58, the method 700 According to one of the examples 45, 53 and 54 further that the magnetic state M is a spin configuration and that the first magnetic target state M1 is the second spin configuration and the second magnetic target state M2 the first spin configuration is.

In Beispiel 59 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 44 bis 58 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem ein frustrierter Pyrochlormagnet ist.In Example 59, the method 700 according to one of examples 44 to 58, further that the magnet system is a frustrated pyrochlormagnet.

In Beispiel 60 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 44 bis 59 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem ein Spin-Eis-Material und/oder ein Quanten-Spin-Eis-Material aufweist oder daraus besteht.In example 60, the method 700 according to one of examples 44 to 59, further that the magnet system comprises or consists of a spin-ice material and / or a quantum spin-ice material.

In Beispiel 61 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 44 bis 60 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem 108 ein Material aufweist oder daraus besteht, wobei das Material charakterisiert ist durch die Summenformel A₂B₂O₆X, wobei X eines aus Sauerstoff (O), Hydroxygruppe (OH) oder Fluor (F) ist. Dabei sind stehen A, B, X symbolisch für entsprechende Elemente und das O der Summenformel ist Sauerstoff.In example 61, the method 700 according to one of the examples 44 to 60, that the magnet system 108 comprises or consists of a material characterized by the molecular formula A ₂ B ₂ O ₆ X, where X is one of oxygen (O), hydroxy (OH) or fluorine (F). Here, A, B, X are symbolic of corresponding elements and the O of the empirical formula is oxygen.

In Beispiel 61 kann das Verfahren 700 gemäß Beispiel 60 ferner aufweisen, dass das Material, vorzugsweise A der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: Ca, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Cd, In, Tl, Hg, Sb, Bi; und
dass das Material, vorzugsweise B der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Si, Ge, Sn, Pb.In example 61, the method 700 according to Example 60, that the material, preferably A of the empirical formula, has at least one of the following elements: Ca, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, He, Tm, Yb, Cd, In, Tl, Hg, Sb, Bi; and
the material, preferably B of the empirical formula, has at least one of the following elements: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Si, Ge, Sn, Pb.

In Beispiel 62 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 44 bis 60 ferner aufweisen, dass das Magnetsystem 108 ein Material aufweist oder daraus besteht, wobei das Material charakterisiert ist durch die Summenformel AB₂C₄. Dabei sind stehen A, B, C symbolisch für entsprechende ElementeIn example 62, the method 700 According to one of the examples 44 to 60, furthermore, that the magnet system 108 comprises or consists of a material, the material being characterized by the empirical formula AB ₂ C ₄ . Here are A, B, C symbolic of corresponding elements

In Beispiel 63 kann das Verfahren 700 gemäß Beispiel 62 ferner aufweisen, dass das Material, vorzugsweise A der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Hg; und
dass das Material, vorzugsweise B der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb; und
dass das Material, vorzugsweise C der Summenformel, mindestens eines von folgenden Elementen aufweist: O, S, Se, Te.In Example 63, the method 700 according to Example 62, furthermore, that the material, preferably A of the empirical formula, has at least one of the following elements: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Hg; and
the material, preferably B of the empirical formula, has at least one of the following elements: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb; and
the material, preferably C of the empirical formula, has at least one of the following elements: O, S, Se, Te.

In Beispiel 65 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 44 bis 64 ferner aufweisen: Abführen von Wärme von dem Magnetsystem zu einer Wärmesenke während oder nach dem ersten Verändern des elektrischen Feldes 304, und Zuführen von Wärme von einem zu kühlenden Objekt zu dem Magnetsystem während oder nach dem zweiten Verändern des elektrischen Feldes.In example 65, the method 700 according to any one of examples 44 to 64, further comprising: removing heat from the magnet system to a heat sink during or after first changing the electric field 304 and supplying heat from an object to be cooled to the magnet system during or after the second altering of the electric field.

In Beispiel 66 kann das Verfahren 700 gemäß einem der Beispiele 44 bis 65 ferner aufweisen, dass das erste Verändern des elektrischen Feldes 304 und das zweite Verändern des elektrischen Feldes 304 in einer alternierenden Abfolge erfolgt.In example 66, the method 700 according to any one of examples 44 to 65, further comprising the first changing of the electric field 304 and the second changing of the electric field 304 takes place in an alternating sequence.

Beispiel 67 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlelementanordnung, wobei Kühlelementanordnung mehrere elektrisch angesteuerte Kühlelemente aufweist, wobei jedes der mehreren elektrisch angesteuerten Kühlelemente ein Magnetsystem mit magnetoelektrischer Kopplung aufweist, das Verfahren aufweisend: Erzeugen mindestens einer Reihenschaltung der mehreren Kühlelemente mittels einer Schalteranordnung, und, zuvor oder anschließend; Erzeugen mindestens einer Parallelschaltung der mehreren Kühlelemente mittels der Schalteranordnung.Example 67 is a method of operating a cooling element assembly, wherein cooling element assembly includes a plurality of electrically controlled cooling elements, each of the plurality of electrically controlled cooling elements having a magneto-electric coupling magnet system, the method comprising: generating at least one series connection of the plurality of cooling elements by means of a switch assembly, and, previously or subsequently; Generating at least one parallel connection of the plurality of cooling elements by means of the switch arrangement.

In Beispiel 68 kann das Verfahren gemäß Beispiel 67 ferner aufweisen, dass die Schalteranordnung eine Vielzahl von magnetisch ansteuerbare Wärmeschaltern aufweist, z.B. supraleitende Wärmeschalter und/oder magnetostriktive Wärmeschalter.In example 68, the method of example 67 may further include the switch assembly having a plurality of magnetically actuable thermal switches, e.g. superconductive thermal switches and / or magnetostrictive thermal switches.

In Beispiel 69 kann das Verfahren gemäß Beispiel 67 oder 68 ferner aufweisen, dass die mindestens eine Reihenschaltung und die mindestens eine Parallelschaltung eine Wärmesenke mit einem zu kühlenden Objekt verbinden.In example 69, the method of example 67 or 68 may further include the at least one series connection and the at least one parallel circuit connecting a heat sink to an object to be cooled.

Beispiel 70 ist eine Verwendung eines frustrierten Magnetsystems mit magnetoelektrischer Kopplung als Kühlmaterial in einer Kühlvorrichtung, wobei ein Erwärmen und/oder Abkühlen des frustrierten Magnetsystems mittels eines elektrischen Feldes beeinflusst wird.Example 70 is a use of a frustrated magnetic system with magnetoelectric coupling as a cooling material in a cooling device, wherein heating and / or cooling of the frustrated magnet system is influenced by means of an electric field.

Beispiel 71 ist eine Verwendung eines elektrischen Feldes zum Erwärmen und/oder Abkühlen eines Magnetsystems mit magnetoelektrischer Kopplung.Example 71 is a use of an electric field to heat and / or cool a magneto-electric coupling magnet system.

Beispiel 72 ist eine Verwendung eines elektrisch angesteuerten Magnetsystems mit magnetoelektrischer Kopplung als Kühlmaterial in einer Kühlvorrichtung.Example 72 is a use of an electrically driven magnetic system with magnetoelectric coupling as a cooling material in a cooling device.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Magnetsystem ein Spin-Eis-Material und/oder Quanten-Spin-Eis-Material aufweisen. Dies hat beispielsweise den Vorteil gegenüber beispielsweise anderen Materialien, dass die elektrischen Dipolmomente nicht permanent sind, sondern nur von dem äußeren elektrischen Feld induziert werden.According to various embodiments, the magnet system may comprise a spin-ice material and / or quantum spin-ice material. This has, for example, the advantage over, for example, other materials that the electric dipole moments are not permanent but are only induced by the external electric field.

Die maximale magnetische Entropie eines Spin-Eis-Materials kann basierend auf der Formel 2·R·Ln2 (J·K^-1·mol^-1) ermittelt werden, was beispielsweise für Temperaturen oberhalb von 2 K angenommen werden kann. Spin-Eis-Materialien weisen allerdings auch bei sehr tiefen Temperaturen (z.B. bis zu einer Temperatur von 50 mK und weniger eine (möglicherweise auch für T gegen Null) verbleibende (residuelle) Entropie auf. Die residuelle Entropie kann beispielsweise basierend der Formel 2·0,5·R·Ln(1,5) (J·K^-1·mol^-1) abgeschätzt werden, so dass beispielsweise etwa 30% der maximalen magnetischen Entropie auch bei sehr tiefen Temperaturen erhalten bleiben kann.The maximum magnetic entropy of a spin-ice material can be determined based on the formula 2 · R · Ln 2 (J · K ^-1 · mol ^-1 ), which can be assumed for temperatures above 2 K, for example. However, even at very low temperatures (eg up to a temperature of 50 mK and less, spin-ice materials have (residual) entropy (possibly also for T against zero) remaining, for example, the residual entropy can be based on the formula 2 · 0 , 5 · R · Ln (1.5) (J · K ^-1 · mol ^-1 ), so that, for example, about 30% of the maximum magnetic entropy can be maintained even at very low temperatures.

Für Dy₂Ti₂O₇ wäre beispielsweise die maximale magnetische Entropie ungefähr 21,6 J·K^-1·kg^-1. Anschaulich bleibt dieser Wert der magnetischen Entropie bis zu einer Temperatur von ca. 2 K im Wesentlichen komplett erhalten. Ein residuelle Entropie von ungefähr 6,5 J·K^-1·kg^-1 bleibt für dieses Material auch noch bis zu einer Temperatur von ungefähr 50mK und darunter erhalten, zumindest auf relevanten Zeitskalen von beispielsweise weniger als 10 min.For example, for Dy ₂ Ti ₂ O ₇ , the maximum magnetic entropy would be about 21.6 J · K ^-1 · kg ^-1 . Clearly, this value of magnetic entropy remains essentially completely preserved up to a temperature of about 2 K. Residual entropy of approximately 6.5 J · K ^-1 · kg ^{-1 is} still maintained for this material up to a temperature of approximately 50mK and below, at least on relevant timescales of, for example, less than 10 minutes.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Spin-Eis-Material für eine Kühlung in einem im Wesentlichen nicht verdünnten Zustand verwendet, d.h. die magnetische Entropie des verwendeten Spin-Eis-Materials beträgt mindestens ungefähr 75% der maximalen magnetischen Entropie. Dies bietet effizienzvorteile gegenüber herkömmlichen Kühlungen basierend auf verdünnten Materialien.According to various embodiments, a spin-ice material is used for cooling in a substantially undiluted state, i. the magnetic entropy of the spin-ice material used is at least about 75% of the maximum magnetic entropy. This offers efficiency advantages over conventional cooling based on thinned materials.

Claims

A method (700) of operating a cooling device (300), the method (700) comprising: • first changing an electric field (304) in a field region (306), wherein in the field region (306) at least one frustrated magneto-electric coupling magnet system is arranged, thereby heating the at least one frustrated magnet system; and subsequently, A second altering of the electric field (304) in the field region (306) and thereby cooling the at least one frustrated magnet system.

Method (700) according to Claim 1 wherein the first changing of the electric field (304) is such that a first desired magnetic state (M1) is favored, and wherein the second changing of the electric field (304) is such that a second desired magnetic state (M2 ) is favored.

Method (700) according to Claim 2 , wherein the second magnetic nominal state (M2) a larger Has entropy as the first desired magnetic state (M1).

Method (700) according to one of Claims 1 to 3 wherein the first changing of the electric field (304) comprises increasing the electric field strength of the electric field (304) in the field region (306); and / or wherein the second altering of the electric field (304) comprises reducing the electric field strength of the electric field (304) in the field region (306).

Method (700) according to Claim 4 wherein the first changing of the electric field (304) comprises adjusting the electric field strength of the electric field (304) in the field region (306) to a predefined first field strength value (E1); and wherein the second changing of the electric field (304) comprises adjusting the electric field strength of the electric field (304) in the field region (306) to a predefined second field strength value (E2).

Method (700) according to Claim 5 wherein the predefined first field strength value (E1) is greater than 100 V / cm; and / or wherein the predefined second field strength value (E2) is less than 100 V / cm.

Method (700) according to Claim 5 wherein the predefined first field strength value (E1) is greater than 1 kV / cm; and / or wherein the predefined second field strength value (E2) is less than 10 V / cm.

Method (700) according to one of Claims 5 to 7 , wherein the quotient (E ₁ / E ₂ ) from the predefined first field strength value (E ₁ ) and the predefined second field strength value (E ₂ ) is greater than 100.

Method (700) according to one of Claims 1 to 8th wherein the at least one frustrated magnet system comprises or consists of a spin-ice material and / or a quantum spin-ice material.

Method (700) according to one of Claims 1 to 9 , further comprising: • removing heat from the at least one frustrated magnet system to a heat sink during or after first changing the electric field (304), and • applying heat from an object to be cooled to the at least one frustrated magnet system during or after second changing the electric field (304).

Method (700) according to one of Claims 1 to 10 wherein the first changing of the electric field (304) and the second changing of the electric field (304) occur in an alternating sequence.

Electronic assembly (100), comprising: An electrode structure for generating an electric field in a field region associated with the electrode structure; At least one spin-ice material and / or quantum spin-ice material disposed in the field region (106); A controller (110) for driving the electrode structure (102) in accordance with a control program (110p), wherein the control program (110p) is set up such that a desired magnetic state (M) of the spin-ice material and / or quantum Spin ice material is promoted by means of an electric field (104) generated by the electrode structure (102).

Cooling device (300), comprising: An electrode structure for generating an electric field in a field region associated with the electrode structure; • at least one cooling element (308) arranged in the field region (306), wherein the at least one cooling element (308) comprises or consists of a magneto-electric coupling magnet system; A controller (310) for driving the electrode structure (302) according to a control program (310p), wherein the control program (310p) is set up such that (i) in a first control mode (300a), changing the electric field (304) by means of the electrode structure (302) to favor a first desired magnetic state (M1) of the magnet system and heating the at least one cooling element (308); (ii) in a second control mode (300b) the electric field (304) is changed by means of the electrode structure (302) to favor a second desired magnetic state (M2) of the magnet system different from the first desired magnetic state (M1) and cooling the at least one cooling element (308).

Cooling device arrangement (600) comprising: • at least one cooling device (300) according to Claim 13 ; A heat sink (608) which can be thermally connected to the at least one cooling device (300) by means of a first thermal switch (608s); and • at least one object to be cooled (618) which can be thermally connected to the at least one cooling device (300) by means of a second thermal switch (618s).

A cooling element assembly (1000), comprising: a plurality of cooling elements (1008), each of said plurality of cooling elements (1008) having a magneto-electric coupling magnet system (108); • at least one electrode structure for influencing the plurality of cooling elements (1008) by means of an electric field generated by the at least one electrode structure; A thermal switch arrangement (1038) and a switch controller (1040) for activating the thermal switch arrangement (1038), wherein the thermal switch arrangement (1038) and the switch controller (1040) are set up such that in a first switch mode (1000a) at least two of the plurality of cooling elements (1000a) 1008) are connected in series, and in a second switching mode (1000b) at least two of the plurality of cooling elements (1008) are connected in parallel.

Use of a frustrated magnetic system with magnetoelectric coupling as a cooling material in a cooling device, wherein heating and / or cooling of the frustrated magnet system is influenced by applying an external electric field.