Ensimmäinen havainto poikittaisesta Thomson-ilmiöstä

Uusi periaate 170 vuotta Thomson-ilmiön löytämisen jälkeen: Uraauurtavat seuraavan sukupolven lämmönhallintatekniikat.

Japanin National Institute for Materials Science (NIMS) sekä Nagoyan ja Tokion yliopistojen yhteinen tutkimusryhmä on ensimmäistä kertaa maailmassa havainnut poikittaisen Thomson-ilmiön – ilmiön, jossa metallit tai puolijohteet vapauttavat tai absorboivat lämpöä, kun lämpövirta, varausvirta ja magneettikenttä kohdistetaan toisiinsa kohtisuoraan.

Tämä saavutus voi edistää fysiikan ja materiaalitieteen edistymistä lämmön, sähkön ja magnetismin muuntamisen osalta sekä uusien lämmönhallintatekniikoiden kehittämistä.

Thomsonin ilmiö on perustavanlaatuinen lämpösähköinen ilmiö Seebeckin ja Peltierin ilmiöiden ohella.

Näitä kolmea kuvassa 1a-c esitettyä ilmiötä kutsutaan "pitkittäisiksi" termoelektrisiksi efekteiksi, jotka tarkoittavat lämpövirran (tai lämpötilagradientin) ja varausvirran välistä keskinäistä muuntumista yhdensuuntaisesti.

Sitä vastoin Nernstin ja Ettingshausenin efektit luokitellaan "poikittaisiksi" termoelektrisiksi efekteiksi, jotka muuntavat lämpö- ja varausvirrat keskenään kohtisuoriin suuntiin.

Poikittaiset lämpösähköiset laitteet ovat herättäneet yhä enemmän huomiota viime vuosina yksinkertaisempien rakenteidensa ja potentiaalisen sovellettavuuden vuoksi lämmönhallinnassa (kuva 1d-e).

Kaikki nämä pitkittäiset ja poikittaiset lämpösähköiset efektit löydettiin jo 1800-luvulla (kuva 1a-e).

Vaikka näitä vaikutuksia omaavia materiaaleja ja laitteita on tutkittu ja kehitetty aktiivisesti maailmanlaajuisesti, poikittaista Thomson-ilmiötä ei ole havaittu kokeellisesti – huolimatta sen olemassaolosta pitkään vallinneista teoreettisista odotuksista.

Tutkimusryhmä kohdisti lämpövirran, varausvirran ja magneettikentän vismutti-antimoniseoksiin ortogonaalisesti toisiinsa nähden. Tuloksena ryhmä havaitsi lämmön vapautumis- ja absorptiosignaaleja, joiden kaavoja ei voitu selittää perinteisillä termoelektrisillä efekteillä.

Kun magneettikentän suunta käännettiin, lämmön vapautuminen muuttui lämmön absorptioksi. Tämän lämpötilakäyttäytymisen havaittiin olevan yhdenmukainen poikittaisen Thomson-ilmiön ennusteiden kanssa (kuva 1f).

Tämä vaikutus – joka on perustavanlaatuisesti erilainen kuin perinteinen Thomson-ilmiö – voi esiintyä vain Nernstin ja Ettingshausenin efektien samanaikaisen toiminnan kautta.

Tulevaisuuden tutkimuksissa mahdollisesti löydettävät materiaalit, joilla on voimakkaammat poikittaiset Thomson-ilmiöt, voisivat mahdollistaa sellaisten teknologioiden kehittämisen, jotka pystyvät aktiivisesti hallitsemaan lämmön vapautumista ja absorptiota materiaaleissa ja laitteissa yksinkertaisesti kääntämällä käytetyn magneettikentän suunnan.

Aiheesta aiemmin:

Lämpösähkön keruuta pii- ja kvanttisiruilta

Kvanttirajaus parantaa lämpösähköilmiötä

Rautapohjainen lämpösähkögeneraattori