Учёные впервые экспериментально подтвердили существование поперечного эффекта Томсона

Термоэлектрический генератор, преобразующий тепло в электричество с помощью эффекта Зеебека. Автор: Gerardtv/Wikimedia Commons. en.wikipedia.org/wiki/File:Thermoelectric_Seebeck_power_module.jpg

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, учёные сообщают о первом экспериментальном наблюдении поперечного эффекта Томсона — ключевого термоэлектрического явления, существование которого предсказывали более века.

Термоэлектрические эффекты, открытые ещё в XIX веке (эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона), лежат в основе нашего понимания взаимосвязи тепла и электричества. Обычный эффект Томсона вызывает нагрев или охлаждение проводника при одновременном протекании электрического тока и температурного градиента в одном направлении.

Теоретически поперечная версия этого эффекта должна возникать, когда электрический ток, температурный градиент и магнитное поле приложены к проводнику во взаимно перпендикулярных направлениях. Теперь международная команда исследователей под руководством Ацуси Такахаги из Университета Нагоя и Кэнъити Утиды из Токийского университета экспериментально подтвердила это явление.

«Я всегда был глубоко мотивирован изучением термоэлектрических эффектов, которые привлекают внимание как технологии для сбора энергии и управления теплом», — поделился Такахаги.

Методика эксперимента

Для выделения слабого сигнала поперечного эффекта Томсона на фоне других тепловых явлений учёные использовали метод термографии с синхронным детектированием.

«Мы применяли периодический электрический ток и с помощью инфракрасной камеры наблюдали тепловой отклик образца, — объяснил Утида. — Выделяя компоненту температурной модуляции, колеблющуюся с той же частотой, что и приложенный ток, мы смогли отделить термоэлектрические сигналы от джоулева нагрева».

Ключевым стало понимание, что пространственное распределение поперечного эффекта Томсона отличается от конкурирующих эффектов. Учёные провели измерения в двух условиях — с температурным градиентом и без него, а затем вычли результаты для выделения чистого сигнала.

Термоэлектрические эффекты. Автор: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02936-3

Неожиданные свойства

Одним из самых удивительных открытий стала возможность переключения между нагревом и охлаждением простым изменением направления магнитного поля. Эффект демонстрировал сложную зависимость от поля, включая полное изменение знака при определённых значениях индукции.

Исследователи выяснили, что коэффициент поперечного эффекта Томсона состоит из двух конкурирующих компонент: одна связана с температурной производной коэффициента Нернста (обычно вызывает нагрев), а другая — с величиной самого коэффициента Нернста (обычно вызывает охлаждение).

Перспективы применения

Открытие открывает новые возможности для технологий управления теплом, особенно в приложениях, требующих точного локального контроля температуры.

«Как обычный эффект Томсона может улучшить производительность элементов Пельтье, так и поперечный эффект Томсона может стать принципом для усовершенствования поперечных термоэлектрических охлаждающих устройств», — отметил Такахаги.

В качестве материала для экспериментов был выбран сплав висмута и сурьмы (Bi₈₈Sb₁₂), известный сильным эффектом Нернста при комнатной температуре. Однако в этом сплаве две компоненты эффекта частично компенсируют друг друга, поэтому поиск новых материалов, где они будут усиливаться, станет важным направлением будущих исследований.

Дополнительная информация: Atsushi Takahagi et al, Observation of the transverse Thomson effect, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02936-3