Открыт магнитный эффект Зеебека

Поменяв проводник на изолятор и оставив разность температур, учёные обнаружили несомненное образование магнитного поля, чью силу оказалось возможным регулировать просто меняя температурный градиент.

Если контакты между последовательно соединёнными разнородными металлическими проводниками имеют разные температуры, это приводит к возникновению электрического поля. Феномен, известный как эффект Зеебека (или просто термоэлектрический эффект), открыт чрезвычайно давно — почти 200 лет назад — и сегодня используется очень широко, от космических зондов до вполне земных термоэлектрогенераторов.

И вот учёные из Швейцарский политехнической школы в Лозанне сначала предсказали теоретически, а затем подтвердили экспериментально магнитный эффект Зеебека: создавая разницу температур вдоль изолятора, им удалось получить магнитное поле.


И это прорыв, дорогие читатели, причём с весьма вероятным практическим применением как в электронике вообще, так и в новом типе транзисторов в частности.
Немного о сути процесса. Обычный эффект Зеебека — это движение электронов в проводнике (упрощая: по сути, в наборе разнородных проводников) в ответ на наличие вдоль него температурного градиента. В среднем электроны на горячем конце проводника имеют больше кинетической энергии, в связи с чем постепенно мигрируют с горячей стороны на холодную.

Используя изолятор вместо проводника, группа учёных во главе с Жаном-Филиппом Ансерме (Jean-Philippe Ansermet) показала нечто фундаментально сходное, хотя и с совершенно другими последствиями. В диэлектрике (или полупроводнике в непроводящем состоянии) электроны не могут течь, так что температурный градиент хотя и придаёт электронам в разогретой части изолятора дополнительную кинетическую энергию, частицы эти всё же не проникают в более холодные области — та как просто не могут этого сделать.

Но у электронов есть спин, а в диэлектрике температурный градиент этот спин меняет. При определённых условиях это ведёт к возникновению магнитного поля, перпендикулярного направлению температурного градиента. Как и в термоэлектрическом эффекте, сила такого термомагнетизма прямо пропорциональна температурному градиенту вдоль изолятора.

Чтобы обнаружить эффект экспериментально, швейцарцы использовали так называемый железо-иттриевый гранат. Как при этом удалось выяснить, направление магнитных волн, распространявшихся вдоль изолятора, влияло на степень потери магнетизации. Когда направление волн совпадало с ориентацией температурного градиента вдоль образца железо-иттриевого граната, потеря магнетизации была относительно малой. Когда же магнитные волны распространялись против направления температурного градиента, потеря магнетизации увеличивалась.

Теоретически открытие основывается на термодинамическом формализме, некогда разработанном известным швейцарским физиком Эрнстом Штюкельбергом. На его основе Сильвен Бреше (Sylvain Bréchet), ведущий автор исследования магнитного эффекта Зеебека, и вывел уравнение, предсказывавшее термомагнитный эффект.

Хотя открытие ещё только предстоит оценить и понять все возможные его применения, уже сейчас очевидно, что оно пригодится по меньшей мере в спинтронике, активно развивающейся альтернативе традиционной электроники, где передача сигнала основывается скорее на спине электронов, нежели на их заряде и перемещении.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters, а его препринт доступен на сайте arXiv.

Подготовлено по материалам Швейцарский политехнической школы в Лозанне.