I en ny artikel i Nature Physics rapporterar forskare om den första experimentella observationen av den transversella Thomson-effekten, ett viktigt termoelektriskt fenomen som har undgått forskarna sedan det förutsågs för över ett sekel sedan.
I över ett sekel har termoelektriska effekter utgjort grunden för fysikernas förståelse av sambandet mellan värme och elektricitet. Vår kunskap om hur värme och elektricitet interagerar i material har sina rötter i Seebeck-, Peltier- och Thomson-effekterna, som alla identifierades under 1800-talet.
Thomson-effekten orsakar volymuppvärmning eller -kylning när en elektrisk ström och en temperaturgradient flödar i samma riktning genom en ledare.
Forskare har länge teoretiserat att en tvärgående version av denna effekt borde existera när en elektrisk ström, temperaturgradient och magnetfält appliceras i ortogonala riktningar i en ledare.
Nu har ett forskarteam ledt av Atsushi Takahagi från Nagoya University och Ken-ichi Uchida från University of Tokyo visat att den tvärgående effekten, en av de högre ordningens termoelektriska effekter, existerar.
”Jag har varit djupt motiverad av den termoelektriska effekten, som har uppmärksammats som energiutvinnings- och värmeregleringsteknik”, säger Takahagi till Phys.org.
Den tvärgående Thomson-effekten har visat sig vara mycket svår att observera experimentellt på grund av störningar från konkurrerande termiska effekter, som Peltier- och Ettingshausen-effekterna.
Isolera signalen
För att övervinna utmaningen med signalisolering föreslog forskarteamet att man skulle använda avancerade termoelektriska avbildningstekniker för att observera och karakterisera fenomenet. Deras metod baseras på lock-in-termografi.
”I vårt experiment använde vi en infraröd kamera för att observera provets termiska respons när en periodisk elektrisk ström applicerades”, förklarade Uchida.
”Genom att extrahera temperaturmoduleringskomponenten som oscillerar med samma frekvens som den applicerade strömmen från de tagna termiska bilderna kunde vi isolera de termoelektriska signalerna från Joule-uppvärmningen.”
Vändpunkten kom när man insåg att den rumsliga fördelningen av den transversella Thomson-effekten skiljer sig från andra konkurrerande effekter. Teamet utförde mätningar under två förhållanden, med och utan temperaturgradient. Därefter subtraherade de resultaten för att isolera den rena transversella Thomson-signalen.
Den första mätningen med temperaturgradient fångar upp den transversella Thomson-effekten och Ettingshausen-effekterna. Den andra mätningen utan temperaturgradient fångar upp endast den senare, vilket ger den isolerade transversella Thomson-effekten när den subtraheras.
Välja rätt material
Forskarna valde en antimonlegering av vismut (Bi88Sb12) för sina experiment, ett material som är känt för sin starka Nernst-effekt vid rumstemperatur.
När en temperaturgradient och ett magnetfält appliceras ortogonalt på ett material leder det till att ett elektriskt fält uppstår vinkelrätt mot båda. Detta kallas Nernst-effekten.
Ettingshausen-effekten, som nämndes tidigare, är det omvända. När en elektrisk ström och ett magnetfält appliceras ortogonalt skapas en temperaturgradient vinkelrätt mot båda.
”Vår forskning visade att storleken på värmekällan som ansvarar för den transversella Thomson-effekten bestäms av både temperaturderivatan av Nernst-koefficienten och Nernst-koefficienten själv”, förklarade Takahagi.
”Legeringen Bi88Sb12 har länge varit känd som ett material med en stor Nernst-koefficient, vilket gör den till en särskilt lovande kandidat för att uppvisa den transversella Thomson-effekten.”
Detta utgör en grundläggande skillnad från den konventionella Thomson-effekten, som enbart beror på temperaturderivatan av Seebeck-koefficienten.
Termoelektriska effekter. Källa: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02936-3
Växla mellan varmt och kallt
En av de mest överraskande upptäckterna var möjligheten att växla mellan uppvärmning och kylning genom att helt enkelt ändra magnetfältets riktning. Effekten visade ett komplext fältberoende beteende, inklusive en fullständig teckenförändring vid vissa magnetfältstyrkor.
Forskarna upptäckte att den transversella Thomson-koefficienten består av två konkurrerande komponenter: en som är relaterad till temperaturderivatan av Nernst-koefficienten (som i allmänhet orsakar uppvärmning) och en annan som är relaterad till Nernst-koefficientens storlek (som i allmänhet orsakar kylning).
Konkurrensen mellan dessa komponenter skapar den fältberoende teckenförändring som observerades i deras experiment.
Deras numeriska simuleringar reproducerade experimentella observationer med hög noggrannhet, vilket bekräftade den teoretiska förståelsen av fenomenet och validerade deras mätteknik.
Potentiella tillämpningar
Upptäckten öppnar nya möjligheter för värmehanteringsteknik, särskilt i tillämpningar som kräver precis, lokal värmekontroll.
”Under de senaste åren har det rapporterats att den konventionella Thomson-effekten kan förbättra prestandan hos Peltier-kylning”, konstaterade Takahagi.
”På samma sätt förväntas den transversella Thomson-effekten fungera som en princip för att förbättra prestandan hos transversella termoelektriska kylningsanordningar.”
Det aktuella arbetet pekar också på strategier för att utveckla mer effektiva material. I den studerade legeringen Bi88Sb12 tar de två komponenterna i den tvärgående Thomson-koefficienten delvis ut varandra, vilket begränsar effekten totalt sett.
”Att identifiera nya material där dessa två komponenter förstärker varandra kan leda till upptäckten av högpresterande material för den tvärgående Thomson-effekten, vilket är en viktig väg för framtida forskning”, förklarar Uchida.
Mer information: Atsushi Takahagi et al, Observation of the transverse Thomson effect, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02936-3
