首次對磁湯姆森效應的直接觀測

向電導體施加溫度梯度和充電電流會導致熱量的釋放和吸收，這稱為湯姆森效應（Thomson effect）。科學家現在首次直接觀察到了磁湯姆森效應（magneto-Thomson effect），這是磁場引起的湯姆森效應機制。這一成功將有助於開發熱能管理的新功能和新技術，促進熱電效應、磁熱電轉換的基礎物理學和材料科學的發展。

湯姆森效應（左）與磁湯姆森效應（右）

熱電效應（Thermoelectric effect）是一個由溫差產生電壓的直接轉換，且反之亦然。簡單的放置一個熱電裝置，當他們的兩端有溫差時會產生一個電壓，而當一個電壓施加於其上，也會產生一個溫差。這個效應可以用來產生電能、測量溫度，冷卻或加熱物體。因為這個加熱或製冷的方向決定於施加的電壓，熱電裝置讓溫度控制變得非常的容易。

一般來說，熱電效應這個術語包含了三個分別定義的效應：賽貝克效應（Seebeck effect）、珀耳帖效應（Peltier effect），與湯姆森效應。前兩者已被廣泛應用於熱電轉換技術。伴隨著這些效應，湯姆森效應早已被公認為是金屬和半導體中的基本熱電效應。儘管多年的研究結果已經很好地理解了磁場和磁力對塞貝克效應和珀耳帖效應的影響，但是由於難以測量和評估，對湯姆遜效應的影響一直尚不清楚。

賽貝克效應（左）與珀耳帖效應（右）

研究人員觀察到電導體中的熱量釋放和吸收，方法是同時在導體上產生溫度梯度，使充電電流透過該梯度，然後施加磁場。研究小組使用一種稱為鎖定熱成像的熱檢測技術，精確測量了導體中與放熱和吸收有關的溫度變化。結果，發現釋放和吸收的熱量與溫度梯度的大小和充電電流均成正比。

此外，研究小組觀察到當磁場施加到導體上時，所得溫度變化顯著增強。在這項研究中進行的系統測量表明，在磁場下檢測到的放熱和吸收訊號確實是由磁湯姆森效應產生。在該實驗中使用的鉍銻合金中觀察到的這種效應表現出非常高的熱電轉換效能，可以達到塞貝克效應和珀爾帖效應的熱電轉換效能水平。

如下圖所示對湯姆森熱電效應的成像。須將這種效應與更廣為人知的熱電效應：塞貝克效應、珀耳帖效應、以及焦耳加熱效應區分開。塞貝克效應描述了充電電壓V的產生從溫差ΔT（左上，以紅色顯示），存在於兩種材料不同的介面之間的塞貝克係數SA和SB（以綠色和藍色顯示）。珀耳帖效應是當充電電流Jc相同時對同一系統的加熱或冷卻流經介面（左下）。湯姆遜效應是單位溫度下材料上每單位溫度升高所產生的移動電荷所攜帶的熱量，它可以體現在一種導電材料中（右，以灰色顯示）。根據電荷和熱流的相對方向，熱量會從周圍環境吸收或釋放出來。

當描述材料如何將溫度差轉換為電流時，最常出現“熱電”一詞，反之亦然。但是，這些描述通常忽略了湯姆森效應，在傳導材料中同時受到充電電流和溫度梯度作用的附加加熱或冷卻效應。現在，研究人員已經成功地對這種效應進行了成像，並直接顯示了其在材料中引起的加熱和冷卻的逆轉。該研究結果可能會影響磁性系統中熱電裝置的設計，例如自旋電子學應用中的熱開關。

想象一種由兩種材料夾在中間的裝置。升高兩種材料之間的介面溫度會引起整個器件上的電勢差，該電勢差與感應的溫度梯度成比例，這種現象被稱為塞貝克效應，反向過程（透過充電電流的流動來加熱或冷卻介面）被稱為珀耳帖效應。湯姆森效應還在熱電行為中起作用。但是，由於它很難測量，因此常常被忽略。

湯姆遜效應既取決於溫度梯度，又取決於材料上的充電電流。與塞貝克效應與珀耳帖效應不同，湯姆森效應不需要兩種材料的存在，它可以在一種物質的均質平板中發生。

近一百年來，科學家一直試圖直接測量湯姆森效應及其對其他熱物理現象的影響。但是直到現在，這種影響只是透過比較材料中的焦耳熱與湯姆森效應引起的加熱或冷卻來間接檢測，該新研究解決了這一缺陷，首次對效果進行了直接測量。

在他們的實驗中，研究了由鉍銻合金Bi88Sb12製成的非磁性導體在3。5毫米厚的平板中的吸熱和散熱，平板的每個末端都保持在固定溫度下。在平板的中心，附加了一個直流加熱器，該裝置加熱了板坯的中心，在整個材料上產生了一個“雙極”溫度梯度，兩端均比中心低。

然後，研究小組使一個週期性的方波電流透過平板，從而微弱地調節了平板的溫度曲線。為了測量平板的溫度分佈，研究小組使用熱像儀將其成像，並將其鎖定在方波電流的頻率上。已知由於磁場產生的電磁力會改變塞貝克係數和湯姆森係數，因此研究小組還進行了相同的實驗，同時向材料施加了強度高達0。9 T的磁場。

透過鎖定這種週期性的溫度變化，研究團隊可以將由珀耳帖效應和湯姆森效應引起的熱量變化與恆定（直流）焦耳加熱所產生的熱量變化區分開。然後，團隊在關閉加熱器的情況下進行了相同的實驗，這使他們能夠分離出湯姆森效應和珀爾帖效應。進一步證實他們已經隔離了湯姆遜效應的發現是，觀察到的效果是隨著充電電流密度和溫度梯度的增加而線性增加，這是湯姆遜模型預測的行為。

在沒有磁場的情況下，研究小組的熱影象表明，平板具有溫度調製功能，可根據平板的湯姆森效應來改變平板中心的方向。開啟磁場後，他們發現這些溫度調製的幅度增加了90。3％。這個高值使得磁湯姆森係數可與材料的塞貝克係數相媲美，並且顯著高於相應的磁場引起的材料的熱導率和電導率變化及其塞貝克係數。

當施加磁場時，湯姆森係數的增加表明材料的冷卻效率有潛在的提高。此行為可用於建立磁性冷卻裝置，其中的湯姆森效應可補償焦耳熱。

該技術還可以用於研究磁性材料中的其它熱電效應，例如自旋湯姆森效應，這是另一種難以捉摸的熱電現象。科學家已經證明了自旋相關的熱電效應的存在，其控制引數以及充電電流和溫度電流還具有額外的自由度：單個電子自旋或稱為自發振子的集體自旋激發。

已經在金屬和絕緣磁系統中研究了塞貝克效應和珀爾帖效應的自旋模擬，它們是“自旋量熱電子學”新興領域的基礎。因此，將這種技術應用於自旋量熱電子實驗將很有前途，以檢視早期工作中研究的器件中是否存在自旋湯姆森效應。這種影響可能會對自旋量熱電子裝置產生巨大影響，因為它可以為設計可程式設計熱電流開關或閥門提供一條途徑。

最後，由於其他熱電效應具有所謂的昂薩格互逆關係（Onsagerreciprocalrelations），這種關係表示不平衡的熱力學系統中流量和力之間的某些比率相等，存在區域性平衡的概念。例如，珀爾帖效應是塞貝克效應的互逆關係，因此，新的結果提出了是否存在湯姆森反效應互逆的問題。當熱電材料中發生區域性吸熱或析出時，是否出現與充電電流平行或反平行的溫度梯度？設計一個實驗系統來測試湯姆遜反效應將是困難的，但並非不可能。例如，諸如掃描探針測溫法等技術的最新進展，可以使研究人員透過在奈米級引入區域性加熱或冷卻來區域性探測湯姆遜反效應。

這項研究揭示了磁湯姆森效應的基本性質，並建立了測量和評估該效應的技術。該研究結果論文發表在最近的《物理評論快報》上

參考：Observation of the Magneto-Thomson Effect。 journals。aps。org/prl/abstract/10。1103/PhysRevLett。125。106601