Японские физики впервые доказали поперечный эффект Томсона — спустя 174 года
Впервые за почти два столетия физики смогли подтвердить существование загадочного явления, которое ранее существовало только в теории. Речь идет о поперечном эффекте Томсона — особом термоэлектрическом процессе, при котором можно управлять нагревом и охлаждением, просто изменяя направление магнитного поля. Исследование провели японские ученые из Университета Нагои и Токийского университета, а его результаты опубликованы в журнале Nature Physics.
Что это вообще за эффект?
В 1851 году британский физик Уильям Томсон (позднее — лорд Кельвин) описал несколько термоэлектрических эффектов, в том числе и поперечный эффект Томсона. Однако в течение 174 лет его никто не мог напрямую наблюдать, потому что он «терялся» среди других термических явлений — таких как эффекты Пельтье и Эттингсхаузена.
Теперь, благодаря тонкой экспериментальной работе и новым материалам, японским исследователям удалось впервые зафиксировать чистый сигнал этого эффекта.
«Наши эксперименты показали принципиальное отличие между обычным и поперечным эффектом Томсона. Это дает нам новый подход к технологиям терморегулирования», — говорится в статье.
Как это происходит?
Упрощенно говоря, обычные термоэлектрические устройства (например, охладители Пельтье) работают при помощи тока и температурного градиента вдоль одного направления. Поперечный эффект Томсона же позволяет изменять зоны нагрева и охлаждения, просто переключая магнитное поле, а не перезапуская ток.
В своем эксперименте ученые использовали особый сплав висмута и сурьмы — Bi₈₈Sb₁₂, обладающий сильным эффектом Нернста (один из термомагнитных эффектов, при котором в проводнике, помещенном в магнитное поле, возникает поперечное напряжение, если по нему протекает тепловой поток). Они подавали ток по пластине материала, при этом магнитное поле направляли перпендикулярно — сверху. Это создавало асимметрию, при которой одна часть пластины начинала нагреваться, а другая — охлаждаться.
Чтобы отследить тонкие изменения температуры, они применяли инфракрасную камеру и специальную методику: вычленяли только те участки изображения, где температура колебалась в ритме с током. Так удалось отделить сигнал Томсона от других побочных эффектов.
Почему это важно?
Во-первых, подтверждение теории спустя почти два века — само по себе важное событие для фундаментальной физики.
Во-вторых, это открывает новые возможности для систем охлаждения и терморегуляции, особенно в электронике и квантовых технологиях. Вместо сложных конструкций с вентиляторами или переключением тока, можно будет управлять теплом просто магнитным полем.
«Мы были удивлены тем, насколько четко можно переключать нагрев и охлаждение, просто меняя направление магнитного поля», — рассказали авторы.
Теперь исследователи хотят найти другие материалы, где этот эффект проявляется еще сильнее, чтобы сделать технологию практичной.