Поперечный эффект Томсона наконец поймали: он прятался прямо в раскалённом аду

Некоторые открытия случаются без фанфар — спустя десятилетия поисков и попыток. Одно из таких — первое в истории экспериментальное подтверждение поперечного эффекта Томсона . Это термоэлектрическое явление, предсказанное физиками ещё более века назад, до сих пор оставалось лишь теорией. Теперь благодаря работе исследователей из Университета Нагоя и Токийского университета удалось не просто закрыть белое пятно в физике, но и открыть новые горизонты в области теплового контроля на микроуровне.

Классический эффект Томсона описывает появление зоны нагрева или охлаждения внутри проводника с электрическим током и температурным градиентом. Это давно известное явление применяют, например, для повышения эффективности термоэлектрических охладителей. Но теоретические модели предсказывали и другую версию — когда ток, температурный перепад и магнитное поле ориентированы строго под прямыми углами друг к другу. В этом случае должен возникать тепловой отклик в третьем направлении — поперёк остальным.

Главная сложность заключалась в том, что нужный сигнал был почти незаметен на фоне более мощных явлений, таких как эффекты Пельтье и Эттингсгаузена. Любая попытка измерения терялась в шуме этих процессов. Требовался способ изолировать тонкую реакцию, не спутать её с другими термоэлектрическими механизмами.

Решение нашли, объединив термографию с методами модуляции тока. Учёные подавали переменное напряжение с заданной частотой и фиксировали температурные колебания с помощью высокочувствительной инфракрасной камеры. Совпадение частот сигнала и нагрева позволило отделить искомый эффект от фона и исключить вклад джоулева тепла.

Дополнительно применили сравнительный метод: проводили съёмку с температурным градиентом и без него. В первом случае фиксировались сразу два явления, включая нужный поперечный эффект, во втором — только один. Вычитание тепловых карт позволило выделить чистый сигнал, который и указывал на наличие ранее неуловимого термоотклика.

В качестве материала исследователи выбрали сплав висмута и сурьмы (Bi₈₈Sb₁₂), обладающий сильным эффектом Нернста. Это был удачный выбор: сплав одновременно демонстрирует значимые термоэлектрические и магнитные свойства. Более того, оказалось, что результат зависит от двух параметров — не только от производной коэффициента Нернста, как в классическом эффекте Томсона, но и от его абсолютной величины.

Любопытно, что в этом сплаве вклад в нагрев и охлаждение может меняться местами. При изменении направления и силы магнитного поля эффект меняет знак: зона нагрева становится зоной охлаждения и наоборот. Это связано с тем, что два противоположных механизма “борются” за доминирование, и при разных условиях побеждает то один, то другой.

Проведённые численные модели подтвердили и экспериментальные данные. Симуляции воспроизвели температурное распределение, зависимость от магнитной ориентации и амплитуду эффекта. Это подтвердило: речь идёт не о шуме или побочном явлении, а о реальном и ранее недоступном для наблюдения процессе.

Хотя работа и относится к фундаментальной науке, её результаты открывают возможности для практического применения. Ранее классический эффект Томсона уже использовали в устройствах охлаждения. Поперечная версия может дать аналогичный результат — но в компактных системах, где требуется локальный контроль теплового потока. Это особенно актуально в микроэлектронике, лазерных системах и квантовых сенсорах.

Успех с поперечным эффектом Томсона даёт ориентир и для материаловедов. В текущем сплаве термоэлектрические вклады частично нейтрализуют друг друга. Если найти вещество, где они будут усиливаться, это откроет путь к высокоэффективным охлаждающим элементам.

Исследование также показывает, что даже хорошо изученные области физики хранят скрытые механизмы. Похожий сдвиг произошёл с "странными металлами" и гибридными квантовыми системами , где новые подходы открыли неожиданные свойства. На этом фоне особенно интересно, что в науке пробуют и совершенно нетривиальные решения: шведы создали транзистор из дерева , а другие команды разрабатывают звуковые лазеры для медицины.

С момента, как эффект Томсона был впервые описан на бумаге, прошёл век. Теперь он не просто подтверждён — он стал ещё одним ключом к управлению энергией на уровне, который раньше был недоступен. И, возможно, к технологиям, которые только формируются на горизонте.