Магнитное поле усилило эффект Томсона на 90 процентов

Японские материаловеды впервые обнаружили магнито-томсоновский эффект в пластинке из сплава висмута и сурьмы: магнитное поле увеличило на 90 процентов выделяемую томсоновскую теплоту при протекании тока по области с градиентом температур. Метод, позволивший это изучить, авторы планируют применить и к другим термоэлектрическим и термоспиновым явлениям высшего порядка. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Термоэлектрические эффекты были открыты в середине XIX века и уже давно нашли применение в термопарах, элементах Пельтье и преобразователях тепла в электричество. Эффекты Зеебека и Пельтье дополняют друг друга: в одном под действием градиента температуры возникает разность потенциалов на местах спайки, а в другом возникает разность температур из-за разности потенциалов. В то же время эффект Томсона объединяет в себе эти два эффекта: если и запустить по проводнику ток, и поддерживать в нем неравномерность температуры, в одной области дополнительно будет выделяться томсоновская теплота, а в другой области она будет поглощаться. Эта теплота пропорциональна плотности тока и градиенту температуры в области.

Эффекты Пельтье и Зеебека зависят еще и от магнитного поля — эти магнитотермоэлектрические эффекты положили начало спиновой калоритронике (управление направлением спинов за счет потоков тепла). Однако модуляцию Томсоновской теплоты с помощью магнитного поля (магнито-томсоновский эффект) ученые до сих пор не наблюдали. Это решил сделать Кинити Утида (Ken-ichi Uchida) с коллегами из японского Национального института наук о материалах — для проверки эффекта они использовали сплав висмута и сурьмы Bi₈₈Sb₁₂, так как его проявление эффекта Зеебека сильно зависит от температуры и приложенного магнитного поля.

Чтобы наблюдать за магнито-томсоновским эффектом, авторам потребовалось с высокой точностью измерять изменение температуры — это получилось сделать с помощью модулированной термографии: через образец пускали квадратно-модулированный ток, а затем измеряли температуру. Благодаря модуляции получилось вычесть вклад теплоты Джоуля — Ленца (в таких условиях она не меняется со временем). На краях висмут-сурьмяной пластины поместили теплоотводы, а в середину — источник тепла. Таким образом, в одной области направление тока и градиент температуры совпадают (в этой области томсоновская теплота выделяется), а в другой они противоположны (здесь томсоновсая теплота наоборот поглощается).

Помешать измерениям могли паразитные эффект Зеебека на местах контакта сплава с электродом и эффект Эттингсгаузена (если подключить магнитное поле перпендикулярно направлению тока, то возникнет разность температур) — но ученые провели эксперимент в отсутствие градиента температур и вычли его результаты из основного эксперимента. Проверяя работоспособность своей установки в отсутствие магнитного поля, ученые удостоверились в линейной зависимости выделяемого тепла от мощности на нагревателе и силы тока.

Затем исследователи провели эксперимент с перпендикулярным магнитным полем. Оказалось, что томсоновский сигнал (отношение добавочной температуры к плотности тока и градиенту температур) при приложении магнитного поля с индукцией в 0,9 теслы возрастает на 90 ± 8 процентов относительно сигнала в отсутствие магнитного поля. Тогда как остальные транспортные коэффициенты (электропроводность, теплопроводность и коэффициент Зеебека) меняются меньше, чем на 20 процентов. 

Авторы предлагают использовать новую технику измерения магнитотермоэлектрических эффектов в магнитных материалах (например, эффекты Томсона для спинового потока или спиновых волн).

Подобные работы приближают увеличение доли спинтронных устройств в быту, а подробнее о спинтронике и ее применениях уже сейчас можно прочитать в нашем материале «Магнетизм электричества».

Артем Моськин