最近發(fā)表在《自然-物理學》雜志上關(guān)于橫向湯姆遜效應(yīng)的突破性觀測，標志著熱電學領(lǐng)域的一個關(guān)鍵時刻，彌補了我們對基本能量轉(zhuǎn)換過程理解中長期存在的空白。這一發(fā)現(xiàn)不僅解開了一個持續(xù)了一個多世紀的理論難題，也為先進的熱管理和能源技術(shù)開辟了前所未有的途徑。

湯姆遜效應(yīng)，以其發(fā)現(xiàn)者威廉·湯姆遜命名，描述了當電流流過存在溫度梯度的導(dǎo)體時，其中發(fā)生的可逆加熱或冷卻現(xiàn)象。與由結(jié)處熱電勢不連續(xù)性引起的珀爾帖效應(yīng)，或由溫差產(chǎn)生電壓的塞貝克效應(yīng)不同，湯姆遜效應(yīng)是一種體效應(yīng)，與材料塞貝克系數(shù)的溫度依賴性密切相關(guān)。它意味著即使是均勻?qū)w，其局部也可能根據(jù)電流和溫度梯度的相對方向而表現(xiàn)出加熱或冷卻。幾十年來，這種經(jīng)典的湯姆遜效應(yīng)一直是熱電理論的基石，為電荷傳輸和熱流之間復(fù)雜的相互作用提供了深刻見解。

然而，理論預(yù)測早已暗示存在一個更為難以捉摸的對應(yīng)物：橫向湯姆遜效應(yīng)。這種現(xiàn)象預(yù)言，當電流、溫度梯度和外部磁場彼此相互垂直時，導(dǎo)體也會發(fā)生加熱或冷卻。這三個矢量量在垂直配置下的相互作用預(yù)示著熱電控制的新維度，但其直接實驗驗證一直難以實現(xiàn)。巨大的挑戰(zhàn)在于，如何在其他通常更強的熱電和磁電現(xiàn)象中，分離并精確測量這種微妙的效應(yīng)。

關(guān)鍵突破與物理機制

研究團隊通過使用半金屬 Bi??Sb?? 并采用先進的熱成像技術(shù)，終于將橫向湯姆遜效應(yīng)從理論變?yōu)榭捎^測的現(xiàn)實。他們精心設(shè)計的實驗裝置，能夠精確地沿著一個軸施加電流，沿著另一個軸施加溫度梯度，并沿著第三個垂直軸施加磁場。由此產(chǎn)生的局部加熱或冷卻模式被清晰地捕捉，提供了該效應(yīng)無可辯駁的證據(jù)。

他們發(fā)現(xiàn)的一個關(guān)鍵點是，通過簡單地反轉(zhuǎn)所施加磁場的方向，就可以實現(xiàn)可控的加熱和冷卻。這種雙向控制是橫向湯姆遜效應(yīng)的標志，使其與縱向湯姆遜效應(yīng)根本不同。在經(jīng)典的湯姆遜效應(yīng)中，加熱或冷卻的方向主要取決于電流和溫度梯度的相對排列以及湯姆遜系數(shù)本身的符號。而橫向效應(yīng)則引入了額外的自由度，提供了一種動態(tài)且響應(yīng)迅速的熱操縱機制。

除了單純的觀測，該論文還深入闡明了橫向湯姆遜效應(yīng)與傳統(tǒng)湯姆遜效應(yīng)的獨特物理起源。傳統(tǒng)的湯姆遜效應(yīng)本質(zhì)上與塞貝克系數(shù)的溫度導(dǎo)數(shù)(?S/?T)緊密相關(guān)，它反映了材料將溫差轉(zhuǎn)化為電壓的能力如何隨溫度變化，從而影響載流子的能量平衡。相比之下，橫向湯姆遜效應(yīng)則表現(xiàn)為一種更復(fù)雜的相互作用，主要取決于能斯特系數(shù)的大小及其溫度導(dǎo)數(shù)(αN 和 ?αN/?T)。能斯特效應(yīng)是一種熱磁現(xiàn)象，描述了在溫度梯度和磁場相互垂直時產(chǎn)生電場的情況。因此，橫向湯姆遜效應(yīng)可以理解為能斯特效應(yīng)及其倒數(shù)現(xiàn)象——艾廷豪森效應(yīng)（描述了響應(yīng)縱向電流和橫向磁場而產(chǎn)生橫向溫度梯度）的綜合影響，突出了在磁場存在下耦合傳輸現(xiàn)象的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。對這種微觀起源的更深入理解，為未來的材料設(shè)計和器件優(yōu)化提供了堅實的理論框架。

潛在意義與應(yīng)用前景

這一發(fā)現(xiàn)具有深遠的意義，涵蓋了基礎(chǔ)科學和應(yīng)用技術(shù)兩大領(lǐng)域。從基礎(chǔ)角度來看，橫向湯姆遜效應(yīng)的觀測顯著豐富了熱電學的版圖，填補了我們理解磁場中電荷和熱傳輸耦合現(xiàn)象的關(guān)鍵空白。它促使我們重新評估現(xiàn)有的熱電模型，并鼓勵探索具有定制能斯特系數(shù)的新型熱磁材料。

從技術(shù)角度來看，利用橫向湯姆遜效應(yīng)實現(xiàn)主動、可切換的加熱或冷卻的能力，為下一代熱管理系統(tǒng)開辟了激動人心的可能性。目前的熱管理解決方案通常依賴于被動散熱器或主動但笨重的制冷循環(huán)。橫向湯姆遜效應(yīng)憑借其局部和雙向溫度控制的潛力，有望徹底改變各種應(yīng)用：

• 先進電子冷卻：隨著電子設(shè)備變得更緊湊、更強大，局部熱點帶來了巨大挑戰(zhàn)。橫向湯姆遜效應(yīng)可以實現(xiàn)對特定組件的高效、精確控制冷卻，從而提高性能和壽命。想象一下，微處理器或光子設(shè)備可以通過簡單地調(diào)節(jié)外部磁場，動態(tài)地實現(xiàn)精確的溫度調(diào)節(jié)。
• 能源效率：在同一個設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)加熱和冷卻之間的切換，而無需單獨的組件，在能源效率方面具有巨大潛力。這可能導(dǎo)致用于供暖、通風和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)，甚至用于專業(yè)工業(yè)過程中緊湊、按需溫度控制的更緊湊、更通用的熱電模塊。
• 醫(yī)療應(yīng)用：精確的溫度控制在各種醫(yī)療程序中至關(guān)重要，從癌癥的高溫治療到局部冷卻以緩解疼痛。橫向湯姆遜效應(yīng)可以為非侵入式、高度局部化的治療性熱管理提供新途徑。
• 科學儀器：許多科學實驗需要極其穩(wěn)定或精確控制的溫度。橫向湯姆遜效應(yīng)可以集成到顯微鏡、探測器或量子計算平臺的新型溫度控制臺中，提高其精度和能力。