Впервые за более чем столетие с момента теоретического предсказания ученым удалось экспериментально зарегистрировать поперечный эффект Томсона — термоэлектрическое явление, которое до сих пор оставалось лишь гипотезой.
Термоэлектрические эффекты, в частности, эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона, описывают взаимосвязь тепла и электричества в проводниках. Классический эффект Томсона характеризует нагревание или охлаждение материала при одновременном действии электрического тока и температурного градиента в одном направлении. Однако физики давно предполагали, что существует и поперечный аналог этого явления — то есть ситуация, когда ток, температурный градиент и магнитное поле расположены под прямыми углами друг к другу. Многочисленные теоретические расчеты указывали на возможность данной ситуации, но выявить этот эффект в эксперименте долгое время не удавалось: мешали перекрывающиеся сигналы от других термоэлектрических эффектов.
Группа физиков под руководством Ацуси Такахаги из Университета Нагоя и Кен-ити Утиды из Токийского университета разработала метод, позволяющий «изолировать» сигнал поперечного эффекта Томсона. С помощью инфракрасной камеры и метода фазочувствительной термографии они изучали тепловой отклик образца из сплава висмута и сурьмы (Bi₈₈Sb₁₂) под воздействием переменного электрического тока. Сравнив тепловые карты при наличии и отсутствии температурного градиента, ученые смогли исключить мешающие компоненты и выделить чистый сигнал искомого эффекта. Ключевым моментом стало различие в пространственном распределении теплового отклика между эффектами, что позволило точно определить наличие поперечного эффекта Томсона.
Особый интерес вызывает тот факт, что направление теплового потока можно изменять, просто меняя ориентацию магнитного поля. Это связано с конкуренцией двух компонентов, входящих в коэффициент поперечного эффекта Томсона: один из которых относится к температурной производной коэффициента Нернста, а другой — к его абсолютному значению. В сплаве Bi₈₈Sb₁₂ эти два компонента частично компенсируют друг друга, но в дальнейшем можно будет создать материалы, где они будут усиливать эффект, а не ослаблять 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 также могут стать основой для разработки принципиально новых типов термоэлектрических охлаждающих устройств, способных 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.
Фото: hi-tech.mail.ru