Сверхпроводники научили создавать ток из тепла

Физики из Технологического Института в Карлсруэ экспериментально добились возникновения сильного термоэлектрического эффекта в контакте сверхпроводник-ферромагнетик. Это явление, родственное эффекту возникновения термоэлектричества в полупроводниках, оказалось по силе на порядки сильнее, чем в обычных металлах и может найти применение в создании сверхточных термометров. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Physics.

Классический эффект Зеебека связан с асимметрией в свойствах электронов и дырок в твердом теле. Он возникает, если взять два различных материала и соединить их в электрическую цепь, поддерживая при этом разницу температур в местах скрепления. Эта асимметрия приводит к тому, что энергия электронов в разных точках цепи оказывается различной, в результате чего возникает электрический ток.

В сверхпроводниках такой асимметрии не наблюдается — поэтому авторы создали ее искусственно, следуя теоретической работе, опубликованной в 2014 году. Для этого физики создали многослойный контакт, состоящий из полоски сверхпроводящего алюминия, поверхность которого была покрыта тонкой пленкой непроводящей окиси, полоски железа и медного контакта поверх них. Всю конструкцию авторы поместили в сильное магнитное поле с индукцией в 0,5-1 тесла и охладили до 50 милликельвинов. 

Первый из контактов в системе — туннельный, частицы могут проникать сквозь него лишь посредством квантового эффекта — туннелирования. При этом, природа контакта (сверхпроводник-ферромагнетик) создает условия, в которых ток, протекающий через него, зависит от спина частиц. Внешнее магнитное поле в системе вызывает спиновую поляризацию — преимущественное направление спина частиц в материалах, что и приводит к нарушению симметрии электронов и дырок. Ферромагнитный контакт — железная полоска — играл также роль нагревательного элемента, к нему отдельно подводился ток, позволявший измерить термоэлектрический эффект при разных температурах. 

На основе данных эксперимента авторы смогли вычислить коэффициент Зеебека — величину изменения разности потенциалов в цепи соответствующую изменению температуры на один кельвин. Она оказалась равной 100 микровольтам на кельвин. Характерные величины термоэлектрического эффекта для классического контакта двух металлов составляют единицы микровольт на кельвин, достигая 25 микровольт для контакта нихром-платина. Авторы отмечают, что при больших полях значение коэффициента может достигать и единиц милливольт на кельвин. 

Физики предполагают, что продемонстрированный эффект можно использовать в сверхточных термометрах, работающих вблизи абсолютного нуля. Кроме того, можно воспользоваться и обратным возникновению термоэлектричества эффектом — эффектом Пельтье — и очень точно контролировать температуру в каком-либо микрообразце.

Ранее ученые уже предлагали схему температурного сенсора на основе туннельного контакта проводник-изолятор-сверхпроводник. Устройство основано на изменении вольт-амперной характеристики туннельного тока в зависимости от температуры.

Владимир Королёв