Сто лет спустя: физики впервые в истории воспроизвели поперечный эффект Томсона
Термоэлектрические эффекты, в частности, эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона, описывают взаимосвязь тепла и электричества в проводниках. Классический эффект Томсона описывает нагревание или охлаждение материала, когда электрический ток и температурный градиент действуют в одном направлении. Однако физики уже давно предполагали, что существует и поперечный аналог этого явления — то есть ситуация, при которой ток, градиент температуры и магнитное поле ориентированы под прямыми углами друг к другу. Неоднократные теоретические расчеты указывали на то, что эта ситуация возможна, но обнаружить этот эффект в эксперименте долгое время не удавалось: мешали пересекающиеся сигналы от других термоэлектрических эффектов.
Физики под руководством Ацуси Такахаги из Университета Нагоя и Кен-ити Утиды из Токийского университета нашли способ «изолировать» сигнал поперечного эффекта Томсона. С помощью инфракрасной камеры и метода фазочувствительной термографии они наблюдали за тепловым откликом образца из сплава висмута и сурьмы (Bi₈₈Sb₁₂), когда на него воздействовал переменный электрический ток. Сравнив тепловые карты при наличии и отсутствии температурного градиента, ученые смогли вычесть мешающие компоненты и выделить чистый сигнал искомого эффекта. Ключевым моментом оказалась разница в пространственном распределении теплового отклика между эффектами, что и позволило точно определить присутствие поперечного эффекта Томсона.
Особый интерес вызвал тот факт, что направление теплового потока можно менять, просто изменяя ориентацию магнитного поля. Это обусловлено конкуренцией двух компонентов, входящих в коэффициент поперечного эффекта Томсона: один связан с температурной производной коэффициента Нернста, другой — с его абсолютным значением. В сплаве Bi₈₈Sb₁₂ эти два компонента частично компенсируют друг друга, но в перспективе можно будет создать материалы, где они будут усиливать эффект, а не гасить его. Это может привести к разработке высокоэффективных термоэлектрических материалов для охлаждающих систем, особенно в миниатюрных электронных устройствах или чувствительных научных приборах.
Воспроизвести поперечный эффект Томсона на практике удалось благодаря не только точным экспериментам, но и численному моделированию, которое подтвердило наблюдаемые зависимости и позволило глубже понять физическую природу явления. Полученные результаты не только расширяют фундаментальные знания в области термоэлектрических процессов, но и могут стать основой для создания принципиально новых типов термоэлектрических охлаждающих устройств, которые смогут использовать поперечный транспорт энергии — компактных, точных и энергоэффективных. Ученые уверены, что их работа станет отправной точкой для дальнейших открытий в этой сфере, а поиск новых материалов, усиливающих поперечный эффект Томсона, станет важным направлением будущих исследований.
Тем временем российские ученые представили революционную технологию для создания процессоров будущего.
