Ученые впервые экспериментально наблюдали поперечный эффект Томсона
В новой статье в журнале Nature Physics учёные сообщают о первом экспериментальном наблюдении поперечного эффекта Томсона (объемное нагревание или охлаждение, когда электрический ток и градиент температуры протекают в одном направлении через проводник). Из-за помех со стороны конкурирующих тепловых эффектов, таких как эффекты Пельтье и Эттингсгаузена, этот чрезвычайно трудно наблюдать экспериментально. В работе был использован метод синхронной термографии.
Фото. Термоэлектрический генератор, преобразующий тепло в электрическую энергию посредством эффекта Зеебека. Источник: Gerardtv/Wikimedia Commons.
В эксперименте была использована инфракрасная камера для наблюдения за термической реакцией образца при подаче периодического электрического тока. Извлекая из полученных тепловых изображений компонент температурной модуляции, колеблющийся на той же частоте, что и приложенный ток, учёные смогли выделить термоэлектрические сигналы из джоулева нагрева.
Измерения проводились в двух условиях: с градиентом температуры и без него. Затем вычли результаты, чтобы выделить чистый поперечный сигнал Томсона. Первое измерение с градиентом температуры фиксирует поперечный эффект Томсона и эффект Эттингсгаузена. Второе измерение без градиента температуры фиксирует только последний, что приводит к вычитанию изолированного поперечного эффекта Томсона.
Для экспериментов был выбран сплав висмута и сурьмы (Bi₈₈Sb₁₂) — материал, известный своим сильным эффектом Нернста вблизи комнатной температуры (когда градиент температуры и магнитное поле действуют на материал перпендикулярно, возникает электрическое поле, перпендикулярное им обоим).
Рис. Термоэлектрические эффекты. Источник: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02936-3
Исследование показало, что величина источника тепла, ответственного за поперечный эффект Томсона, определяется как температурной производной коэффициента Нернста, так и самим коэффициентом Нернста.
Одним из самых удивительных открытий стала возможность переключения между нагревом и охлаждением путём простого изменения направления магнитного поля. Этот эффект демонстрировал сложную зависимость от поля, включая полную смену знака при определённых значениях напряжённости магнитного поля.
Оказалось, что поперечный коэффициент Томсона состоит из двух конкурирующих компонентов: один связан с температурной производной коэффициента Нернста (вызывающей нагрев), а другой с величиной коэффициента Нернста (вызывающей охлаждение). Конкуренция между этими компонентами создает зависимую от поля смену знака, наблюдаемую в их экспериментах.
Их численное моделирование точно воспроизвело экспериментальные наблюдения, подтвердив теоретическое понимание явления и обосновав их методику измерений.
