В новой статье, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи сообщают о первом экспериментальном наблюдении поперечного эффекта Томсона — ключевого термоэлектрического явления, которое ускользало от учёных с момента его предсказания более века назад.
Термоэлектрические эффекты
Более века термоэлектрические эффекты составляют основу понимания физиками связи между теплом и электричеством. Наши знания о том, как тепло и электричество взаимодействуют в материалах, основаны на эффектах Зеебека, Пельтье и Томсона, открытых в XIX веке.
Эффект Томсона вызывает объёмный нагрев или охлаждение, когда электрический ток и температурный градиент протекают в одном направлении через проводник.
Учёные давно предполагали, что должна существовать поперечная версия этого эффекта, когда электрический ток, температурный градиент и магнитное поле прикладываются в ортогональных направлениях в проводнике.
Экспериментальное подтверждение
Исследовательская группа под руководством Ацуши Такахаги из университета Нагоя и Кен-ичи Учида из университета Токио продемонстрировала существование поперечного эффекта.
«Меня глубоко вдохновил термоэлектрический эффект, который привлёк внимание как технология сбора энергии и управления теплом», — сказал Такахаги Phys.org.
Поперечный эффект Томсона было чрезвычайно сложно наблюдать экспериментально из-за помех от конкурирующих тепловых эффектов, таких как эффекты Пельтье и Эттингсхаузена.
Чтобы преодолеть проблему изоляции сигнала, исследовательская группа предложила использовать передовые термоэлектрические методы визуализации для наблюдения и характеристики явления. Их метод основан на синхронной термографии.
«В нашем эксперименте мы использовали инфракрасную камеру для наблюдения за тепловой реакцией образца при подаче периодического электрического тока», — объяснил Учида.
Открытие
Поворотным моментом стало признание того, что пространственное распределение поперечного эффекта Томсона отличается от других конкурирующих эффектов. Команда провела измерения в двух условиях: с температурным градиентом и без него. Затем они вычли результаты, чтобы выделить чистый поперечный сигнал Томсона.
Исследователи выбрали для экспериментов сплав висмута и сурьмы (Bi₈₈Sb₁₂), материал, известный своим сильным эффектом Нернста при комнатной температуре.
Изменение свойств материалов с помощью света и магнонов
Физики из университета Констанца научились изменять свойства материала нетепловым способом с помощью света и магнонов. Новый процесс перспективен не только для информационных технологий, но, возможно, и для квантовых исследований — при комнатной температуре.
Представьте, что вы можете изменить свойства материала так, чтобы он почти магическим образом превратился в другой материал. Для этого не нужны ни волшебная палочка, ни чудодейственное зелье. Процесс происходит с помощью света, который возбуждает магнитные состояния материала.
Таким образом, в материале индуцируются коллективные магнитные колебания, передающие и хранящие информацию на терагерцовых частотах. Процесс протекает при комнатной температуре без значительного выделения тепла. Не требуются и экзотические материалы, такие как редкоземельные элементы, поскольку процесс наблюдался в естественно выращенных кристаллах, которые широко доступны.
И вдобавок ко всему: теперь представьте, что вы можете использовать тот же метод для использования квантовых эффектов — тех высокочувствительных процессов, которые до сих пор обычно исследовались при низких температурах около -270 градусов Цельсия. И вы могли бы сделать это при комнатной температуре без необходимости дорогостоящего охлаждения. Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Тем не менее именно это стало возможным благодаря новому экспериментальному методу, разработанному физиками из университета Констанца под руководством Давиде Боссини.
Используя лазерные импульсы для когерентного возбуждения пар магнонов, исследовательская группа добилась удивительных эффектов с большим потенциалом не только для использования в информационных технологиях, но, возможно, и для будущих квантовых исследований.
Перспективы
Результаты команды из Констанца предполагают, что с помощью нового метода исследователи смогут создавать светоиндуцированные бозе-эйнштейновские конденсаты высокоэнергетических магнонов при комнатной температуре. Это проложит путь к исследованию квантовых эффектов без необходимости обширного охлаждения. Звучит как магия, но это всего лишь технологии и передовые исследования.