世界上首次观测到横向汤姆逊效应

　　

日本国立材料科学研究所（NIMS）、名古屋大学和东京大学的联合研究团队在世界上首次成功观测到横向汤姆逊效应——当热电流、电荷电流和磁场以正交方式施加时，金属或半导体会释放或吸收热量的现象。这一成果可能有助于推动与热、电、磁转换相关的物理学和材料科学的发展，以及新型热管理技术的开发。该研究于2025年6月26日发表在 《自然物理》杂志上 。

背景

汤姆逊效应由热力学和电磁学先驱威廉·汤姆逊发现，它与塞贝克效应和珀尔帖效应一样，是一种基本的热电效应。当沿同一方向施加热电流和电荷电流时，金属或半导体会释放或吸收热量的现象。图 a-c 所示的这三种效应被称为“纵向”热电效应，即热电流（或温度梯度）和电荷电流在平行方向上相互转换。相比之下，能斯特效应和埃廷豪森效应被归类为“横向”热电效应，即热电流和电荷电流在垂直方向上相互转换。近年来，横向热电器件因其结构更简单且在热管理方面具有潜在应用价值而受到越来越多的关注（图 d-e）。所有这些纵向和横向热电效应早在 19 世纪就被发现（图 a-e）。尽管世界各地都在积极研究和开发具有这些效应的材料和设备，但横向汤姆逊效应却从未在实验中被观察到——尽管长期以来理论上人们一直期望它的存在。

主要发现

研究团队将热流、充电电流和磁场正交地施加于铋铋锑锑合金。结果，团队观察到了放热和吸热信号，其模式无法用传统的热电效应来解释。当磁场方向反转时，放热转变为吸热。结果发现，这种温度行为与横向汤姆逊效应的预测一致（图f）。这种效应与传统的汤姆逊效应有着根本的区别，它只能通过能斯特效应和埃廷豪森效应同时作用才能实现。

未来展望

首次在实验中观测到横向汤姆逊效应，标志着热电研究领域的一个重大里程碑。在未来的研究中，若能发现具有更强横向汤姆逊效应的材料，或许能够开发出只需改变施加磁场方向即可主动控制材料和器件散热和吸收的技术。

其他信息

• 该项目由 Atsushi Takahagi（名古屋大学机械系统工程系研究生，也是 NIMS 的实习生）作为其博士课程的一部分进行，与以下研究人员合作：Ken-ichi Uchida（NIMS 磁性和自旋电子材料研究中心 (CMSM) 杰出小组负责人，东京大学前沿科学研究生院先进材料科学系教授）、Takamasa Hirai（NIMS CMSM 高级研究员）、Sang Jun Park（NIMS CMSM 博士后研究员）、Hosei Nagano（名古屋大学机械系统工程系 (DMSE) 教授）和 Abdulkareem Alasli（NU DMSE 指定讲师）。
• 这项工作得到了以下机构的支持：1）JST ERATO UCHIDA 磁性热管理材料项目（研究主任：Ken-ichi Uchida；资助编号：JPMJER2201）；2）JSPS 科学研究补助金（S）（资助编号：22H04965）；3）JSPS 科学研究补助金（B）（资助编号：19H02585）；以及 4）JSPS 研究员补助金（资助编号：23KJ1122）。