Поперечный эффект Томсона наконец поймали: он прятался прямо в раскалённом аду
NewsMakerТысяча экспериментов, тонны формул, и всё зря — пока не включили инфракрасную камеру.
Некоторые открытия в науке случаются тихо — спустя десятилетия ожиданий и попыток. Одно из таких — первое в истории экспериментальное подтверждение поперечного эффекта Томсона, термоэлектрического явления, которое физики предсказали ещё более ста лет назад, но так и не могли зафиксировать до сих пор. Работа, выполненная исследователями из Университета Нагоя и Токийского университета, только что опубликована в Nature Physics, и она не просто закрывает гештальт в теории. Она даёт новое понимание связи между теплом, электричеством и магнитным полем — а вместе с этим и перспективу для создания принципиально новых технологий управления температурой.
Классический эффект Томсона описывает, как в проводнике, по которому течёт электрический ток и существует температурный градиент, возникает внутренняя зона нагрева или охлаждения. Это явление изучено давно, и его используют, например, для повышения эффективности систем охлаждения. Но уравнения подсказывали, что в условиях, когда ток, температурный градиент и магнитное поле направлены строго под прямыми углами друг к другу, должен возникать поперечный вариант — с тепловым откликом в третьем направлении. Теория была, а подтверждение — нет.
Причина в том, что сам эффект очень тонкий. Его маскируют другие, гораздо более мощные явления — в первую очередь, эффекты Пельтье и Эттингсгаузена. Любая попытка провести прямой эксперимент упиралась в то, что нужный сигнал попросту терялся на фоне этих побочных процессов. Учёным приходилось искать способ выделить именно тот термоэлектрический отклик, который соответствует поперечному эффекту Томсона, и при этом не спутать его с другими.
Решение пришло через комбинацию методов. Исследователи использовали термографию — высокочувствительную инфракрасную съёмку, при которой на материал подаётся переменный электрический ток с определённой частотой. Камера регистрирует температурные колебания, а затем выделяет именно те, что совпадают по частоте с током. Это позволяет убрать фоновое джоулево нагревание и вычленить чисто термоэлектрический вклад.
Следующим шагом стало двойное измерение: сначала с температурным градиентом, затем без него. В первом случае фиксируются и поперечный эффект Томсона, и эффект Эттингсгаузена, во втором — только последний. Вычитание двух тепловых карт позволяет оставить в чистом виде искомый сигнал. Этот метод, совмещённый с точной визуализацией, и позволил наконец увидеть то, что больше века ускользало от глаз физиков.
Для эксперимента использовали сплав висмута и сурьмы — Bi₈₈Sb₁₂. Этот материал известен выраженным эффектом Нернста, который возникает, когда температурный градиент и магнитное поле создают электродвижущую силу в перпендикулярном направлении. Эффект Эттингсгаузена — обратное явление: ток и магнитное поле вызывают температурный градиент. Оказалось, что поперечный эффект Томсона зависит от обоих этих параметров: не только от температурной производной коэффициента Нернста, как это происходит в обычном эффекте Томсона с коэффициентом Зеебека, но и от величины самого коэффициента Нернста.
Bi₈₈Sb₁₂ оказался удачным выбором: оба параметра в нём выражены сильно, и хотя они частично компенсируют друг друга, этого оказалось достаточно, чтобы зафиксировать искомое явление. Более того, исследователи обнаружили, что эффект может менять знак: при определённой величине и направлении магнитного поля нагрев сменяется охлаждением — и наоборот. Это происходит потому, что два вклада в коэффициент поперечного эффекта Томсона — «нагревательный» и «охлаждающий» — конкурируют между собой, и при разных внешних условиях может доминировать то один, то другой.
Численные расчёты, проведённые параллельно с экспериментом, подтвердили все наблюдения. Симуляции воспроизвели тепловое распределение, зависимость от направления поля, амплитуду сигнала — и тем самым подтвердили, что измерения отражают не артефакт или шум, а реальное физическое явление.
Хотя сама по себе работа относится к фундаментальной физике, последствия её вполне прикладны. Уже известно, что классический эффект Томсона помогает улучшать эффективность охлаждения с помощью эффекта Пельтье. Поперечный вариант может сделать то же самое — только в более компактных устройствах, где важно точно направлять тепло и контролировать его в отдельных зонах. Это может оказаться полезным в микроэлектронике, лазерах , квантовых датчиках — везде, где управление локальной температурой критично.
Кроме того, открытие подсказывает направление для материаловедов. В исследуемом сплаве два вклада частично гасили друг друга. Если найти материал, где они усиливают эффект в одном направлении, можно будет создать высокоэффективные охлаждающие элементы нового поколения. Это особенно актуально в контексте развития квантовых технологий , где точное управление температурой критически важно для работы чувствительных компонентов.
Успех японских исследователей демонстрирует, что даже в области, которая кажется хорошо изученной, всё ещё есть место для фундаментальных открытий. Подобные прорывы происходят не только в термоэлектричестве — недавно физики разгадали тайну "странных металлов", которые десятилетиями озадачивали учёных своими необычными свойствами. А другая группа исследователей сумела объединить квантовые системы разных типов, открыв новые возможности для квантовых вычислений.
Это уже не просто научный интерес — это конкретная дорожка к устройствам, способным регулировать тепло без движущихся частей, с точностью до микрона и скоростью, соответствующей электронике будущего. В эпоху, когда квантовые процессоры требуют сверхнизких температур для работы, а современные микросхемы нуждаются в всё более точном термоконтроле, подобные открытия могут стать ключом к новому поколению систем охлаждения.
Интересно, что параллельно с исследованиями в области традиционных материалов учёные экспериментируют с совершенно неожиданными решениями. Например, шведские исследователи недавно создали транзистор из дерева , а физики разрабатывают лазеры на основе звука , которые могут найти применение в медицинской диагностике.
С момента, как впервые предположили существование поперечного эффекта Томсона, прошёл век. Теперь, когда он зафиксирован и описан, становится понятно, что даже в области, казалось бы, давно изученной физики тепла и электричества, ещё есть место неожиданным открытиям. И каждое из них не только расширяет наше понимание природы, но и открывает путь к новым технологиям, которые меняют повседневность.
Некоторые открытия в науке случаются тихо — спустя десятилетия ожиданий и попыток. Одно из таких — первое в истории экспериментальное подтверждение поперечного эффекта Томсона, термоэлектрического явления, которое физики предсказали ещё более ста лет назад, но так и не могли зафиксировать до сих пор. Работа, выполненная исследователями из Университета Нагоя и Токийского университета, только что опубликована в Nature Physics, и она не просто закрывает гештальт в теории. Она даёт новое понимание связи между теплом, электричеством и магнитным полем — а вместе с этим и перспективу для создания принципиально новых технологий управления температурой.
Классический эффект Томсона описывает, как в проводнике, по которому течёт электрический ток и существует температурный градиент, возникает внутренняя зона нагрева или охлаждения. Это явление изучено давно, и его используют, например, для повышения эффективности систем охлаждения. Но уравнения подсказывали, что в условиях, когда ток, температурный градиент и магнитное поле направлены строго под прямыми углами друг к другу, должен возникать поперечный вариант — с тепловым откликом в третьем направлении. Теория была, а подтверждение — нет.
Причина в том, что сам эффект очень тонкий. Его маскируют другие, гораздо более мощные явления — в первую очередь, эффекты Пельтье и Эттингсгаузена. Любая попытка провести прямой эксперимент упиралась в то, что нужный сигнал попросту терялся на фоне этих побочных процессов. Учёным приходилось искать способ выделить именно тот термоэлектрический отклик, который соответствует поперечному эффекту Томсона, и при этом не спутать его с другими.
Решение пришло через комбинацию методов. Исследователи использовали термографию — высокочувствительную инфракрасную съёмку, при которой на материал подаётся переменный электрический ток с определённой частотой. Камера регистрирует температурные колебания, а затем выделяет именно те, что совпадают по частоте с током. Это позволяет убрать фоновое джоулево нагревание и вычленить чисто термоэлектрический вклад.
Следующим шагом стало двойное измерение: сначала с температурным градиентом, затем без него. В первом случае фиксируются и поперечный эффект Томсона, и эффект Эттингсгаузена, во втором — только последний. Вычитание двух тепловых карт позволяет оставить в чистом виде искомый сигнал. Этот метод, совмещённый с точной визуализацией, и позволил наконец увидеть то, что больше века ускользало от глаз физиков.
Для эксперимента использовали сплав висмута и сурьмы — Bi₈₈Sb₁₂. Этот материал известен выраженным эффектом Нернста, который возникает, когда температурный градиент и магнитное поле создают электродвижущую силу в перпендикулярном направлении. Эффект Эттингсгаузена — обратное явление: ток и магнитное поле вызывают температурный градиент. Оказалось, что поперечный эффект Томсона зависит от обоих этих параметров: не только от температурной производной коэффициента Нернста, как это происходит в обычном эффекте Томсона с коэффициентом Зеебека, но и от величины самого коэффициента Нернста.
Bi₈₈Sb₁₂ оказался удачным выбором: оба параметра в нём выражены сильно, и хотя они частично компенсируют друг друга, этого оказалось достаточно, чтобы зафиксировать искомое явление. Более того, исследователи обнаружили, что эффект может менять знак: при определённой величине и направлении магнитного поля нагрев сменяется охлаждением — и наоборот. Это происходит потому, что два вклада в коэффициент поперечного эффекта Томсона — «нагревательный» и «охлаждающий» — конкурируют между собой, и при разных внешних условиях может доминировать то один, то другой.
Численные расчёты, проведённые параллельно с экспериментом, подтвердили все наблюдения. Симуляции воспроизвели тепловое распределение, зависимость от направления поля, амплитуду сигнала — и тем самым подтвердили, что измерения отражают не артефакт или шум, а реальное физическое явление.
Хотя сама по себе работа относится к фундаментальной физике, последствия её вполне прикладны. Уже известно, что классический эффект Томсона помогает улучшать эффективность охлаждения с помощью эффекта Пельтье. Поперечный вариант может сделать то же самое — только в более компактных устройствах, где важно точно направлять тепло и контролировать его в отдельных зонах. Это может оказаться полезным в микроэлектронике, лазерах , квантовых датчиках — везде, где управление локальной температурой критично.
Кроме того, открытие подсказывает направление для материаловедов. В исследуемом сплаве два вклада частично гасили друг друга. Если найти материал, где они усиливают эффект в одном направлении, можно будет создать высокоэффективные охлаждающие элементы нового поколения. Это особенно актуально в контексте развития квантовых технологий , где точное управление температурой критически важно для работы чувствительных компонентов.
Успех японских исследователей демонстрирует, что даже в области, которая кажется хорошо изученной, всё ещё есть место для фундаментальных открытий. Подобные прорывы происходят не только в термоэлектричестве — недавно физики разгадали тайну "странных металлов", которые десятилетиями озадачивали учёных своими необычными свойствами. А другая группа исследователей сумела объединить квантовые системы разных типов, открыв новые возможности для квантовых вычислений.
Это уже не просто научный интерес — это конкретная дорожка к устройствам, способным регулировать тепло без движущихся частей, с точностью до микрона и скоростью, соответствующей электронике будущего. В эпоху, когда квантовые процессоры требуют сверхнизких температур для работы, а современные микросхемы нуждаются в всё более точном термоконтроле, подобные открытия могут стать ключом к новому поколению систем охлаждения.
Интересно, что параллельно с исследованиями в области традиционных материалов учёные экспериментируют с совершенно неожиданными решениями. Например, шведские исследователи недавно создали транзистор из дерева , а физики разрабатывают лазеры на основе звука , которые могут найти применение в медицинской диагностике.
С момента, как впервые предположили существование поперечного эффекта Томсона, прошёл век. Теперь, когда он зафиксирован и описан, становится понятно, что даже в области, казалось бы, давно изученной физики тепла и электричества, ещё есть место неожиданным открытиям. И каждое из них не только расширяет наше понимание природы, но и открывает путь к новым технологиям, которые меняют повседневность.