Σε νέα δημοσίευση στο Nature Physics, ερευνητές αναφέρουν την πρώτη πειραματική παρατήρηση του εγκάρσιου φαινομένου Thomson (transverse Thomson effect), ενός βασικού θερμοηλεκτρικού φαινομένου που διέφευγε της επιβεβαίωσης από την εποχή που προβλέφθηκε, πάνω από έναν αιώνα πριν.
Για πάνω από εκατό χρόνια, τα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα αποτελούν το θεμέλιο της κατανόησής μας για τη σχέση μεταξύ θερμότητας και ηλεκτρισμού. Η γνώση μας βασίζεται στα φαινόμενα Seebeck, Peltier και Thomson, όλα από τον 19ο αιώνα.
Το φαινόμενο Thomson προκαλεί ογκομετρική θέρμανση ή ψύξη όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα και μια θερμοκρασιακή κλίση ρέουν προς την ίδια κατεύθυνση μέσα σε έναν αγωγό.
Οι επιστήμονες εδώ και καιρό θεωρούσαν θεωρητικά ότι μια εγκάρσια εκδοχή του φαινομένου θα έπρεπε να υπάρχει, όταν το ηλεκτρικό ρεύμα, η θερμοκρασιακή κλίση και το μαγνητικό πεδίο εφαρμόζονται σε κάθετες μεταξύ τους κατευθύνσεις σε έναν αγωγό.
Τώρα, μια ερευνητική ομάδα υπό τους Atsushi Takahagi από το Πανεπιστήμιο Nagoya και Ken-ichi Uchida από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο απέδειξε ότι το εγκάρσιο φαινόμενο – μία από τις υψηλότερης τάξης θερμοηλεκτρικές επιδράσεις – πράγματι υπάρχει.
«Ήμουν βαθιά παρακινημένος από το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον ως τεχνολογία συλλογής ενέργειας και θερμικής διαχείρισης», δήλωσε ο Takahagi στο Phys.org.
Εγκάρσιο φαινόμενο Thomson – Απομόνωση του σήματος
Το εγκάρσιο φαινόμενο Thomson αποδείχθηκε εξαιρετικά δύσκολο να παρατηρηθεί πειραματικά λόγω παρεμβολών από άλλα θερμικά φαινόμενα, όπως το Peltier και το Ettingshausen.
Για να ξεπεράσουν το πρόβλημα απομόνωσης του σήματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένες τεχνικές θερμοηλεκτρικής απεικόνισης, βασιζόμενες στην τεχνολογία lock-in thermography.
«Στο πείραμά μας χρησιμοποιήσαμε υπέρυθρη κάμερα για να παρατηρήσουμε τη θερμική απόκριση του δείγματος όταν εφαρμόστηκε περιοδικό ηλεκτρικό ρεύμα», εξήγησε ο Uchida.
«Απομονώσαμε τα θερμοηλεκτρικά σήματα από τη θέρμανση Joule εξάγοντας το θερμοκρασιακό σκέλος που ταλαντώνεται στην ίδια συχνότητα με το εφαρμοζόμενο ρεύμα από τις θερμικές εικόνες».
Το σημείο καμπής ήρθε όταν διαπιστώθηκε ότι η χωρική κατανομή του εγκάρσιου φαινομένου Thomson διαφέρει από άλλα ανταγωνιστικά φαινόμενα. Η ομάδα πραγματοποίησε μετρήσεις υπό δύο συνθήκες: με και χωρίς θερμοκρασιακή κλίση, και στη συνέχεια αφαίρεσε τα αποτελέσματα για να απομονώσει το καθαρό εγκάρσιο σήμα.
Η πρώτη μέτρηση, με θερμοκρασιακή κλίση, περιλαμβάνει τόσο το εγκάρσιο φαινόμενο Thomson όσο και το Ettingshausen. Η δεύτερη, χωρίς θερμοκρασιακή κλίση, περιλαμβάνει μόνο το Ettingshausen. Η αφαίρεση των δύο δίνει την καθαρή επίδραση του εγκάρσιου Thomson.
Επιλογή του κατάλληλου υλικού
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα κράμα αντιμονίου και δισμητίου (Bi-Sb), γνωστό για το ισχυρό φαινόμενο Nernst του σε θερμοκρασία δωματίου.
Όταν εφαρμόζεται θερμοκρασιακή κλίση και μαγνητικό πεδίο κάθετα μεταξύ τους σε ένα υλικό, δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο κάθετο και στα δύο – αυτό είναι το φαινόμενο Nernst.
Το αντίστροφό του, το φαινόμενο Ettingshausen, προκύπτει όταν ηλεκτρικό ρεύμα και μαγνητικό πεδίο εφαρμόζονται κάθετα και παράγεται θερμοκρασιακή κλίση κάθετη και στα δύο.
«Η έρευνά μας έδειξε ότι το μέγεθος της θερμικής πηγής πίσω από το εγκάρσιο φαινόμενο Thomson εξαρτάται τόσο από την παράγωγο της θερμοκρασίας του συντελεστή Nernst όσο και από τον ίδιο τον συντελεστή Nernst», εξήγησε ο Takahagi.
Το κράμα Bi-Sb είναι γνωστό εδώ και καιρό για τον υψηλό συντελεστή Nernst, γεγονός που το καθιστά ιδιαίτερα υποσχόμενο για την εμφάνιση του εγκάρσιου φαινομένου Thomson.
Αυτό διαφέρει θεμελιωδώς από το συμβατικό φαινόμενο Thomson, το οποίο εξαρτάται μόνο από την παράγωγο του συντελεστή Seebeck.
Εναλλαγή ανάμεσα σε θέρμανση και ψύξη
Μία από τις πιο εκπληκτικές ανακαλύψεις ήταν η δυνατότητα εναλλαγής μεταξύ θέρμανσης και ψύξης απλώς αλλάζοντας τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Το φαινόμενο εμφάνισε σύνθετη εξάρτηση από το πεδίο, συμπεριλαμβανομένης και πλήρους αντιστροφής πρόσημου σε ορισμένες εντάσεις μαγνητικού πεδίου.
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ο εγκάρσιος συντελεστής Thomson αποτελείται από δύο ανταγωνιστικά μέρη: το ένα συνδέεται με την παράγωγο του συντελεστή Nernst (που γενικά προκαλεί θέρμανση) και το άλλο με το μέγεθος του συντελεστή Nernst (που προκαλεί ψύξη).
Ο ανταγωνισμός μεταξύ αυτών των δύο οδηγεί στην αντιστροφή πρόσημου που παρατηρήθηκε πειραματικά.
Οι αριθμητικές προσομοιώσεις ταίριαξαν τέλεια με τις πειραματικές παρατηρήσεις, επιβεβαιώνοντας τη θεωρητική κατανόηση του φαινομένου και επικυρώνοντας τη μεθοδολογία μέτρησης.
Πιθανές εφαρμογές
Η ανακάλυψη ανοίγει νέες δυνατότητες για τεχνολογίες διαχείρισης θερμότητας, ιδιαίτερα όπου απαιτείται ακριβής, τοπικός έλεγχος θερμότητας.
«Τα τελευταία χρόνια έχει αναφερθεί ότι το συμβατικό φαινόμενο Thomson μπορεί να βελτιώσει την απόδοση της ψύξης Peltier», σημείωσε ο Takahagi.
«Ομοίως, το εγκάρσιο φαινόμενο Thomson αναμένεται να αποτελέσει θεμελιώδη αρχή για τη βελτίωση της απόδοσης σε εγκάρσιες θερμοηλεκτρικές συσκευές ψύξης».
Η παρούσα εργασία προτείνει επίσης στρατηγικές για την ανάπτυξη πιο αποδοτικών υλικών. Στο κράμα Bi-Sb, τα δύο μέρη του εγκάρσιου συντελεστή Thomson μερικώς εξουδετερώνουν το ένα το άλλο, περιορίζοντας το συνολικό μέγεθος του φαινομένου.
«Η αναγνώριση νέων υλικών στα οποία αυτά τα δύο μέρη ενισχύουν το ένα το άλλο θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανακάλυψη υλικών υψηλής απόδοσης για το εγκάρσιο φαινόμενο Thomson, αντιπροσωπεύοντας μια σημαντική κατεύθυνση για μελλοντική έρευνα», εξήγησε ο Uchida.
Πληροφορίες: Atsushi Takahagi et al, Observation of the transverse Thomson effect, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02936-3
Δημοσιογραφικές πληροφορίες: Nature Physics