Un mister al fizicii, vechi de 174 de ani, tocmai a fost rezolvat: efectul Thomson

După o așteptare de 174 de ani, fizicienii au reușit în sfârșit să observe un fenomen evaziv, o reușită care ar trebui să inspire speranță chiar și celor care se află în căutarea enigmaticei materii întunecate.

O echipă de oameni de știință a confirmat existența unui efect termoelectric prezis teoretic la mijlocul secolului al XIX-lea. Această descoperire nu este doar o victorie a perseverenței, ci ar putea deschide calea către noi tehnologii pentru managementul termic de înaltă precizie, esențial în dispozitivele electronice moderne.

O moștenire de peste un secol: efectul Thomson original

Totul a început în 1851 cu legendarul fizician William Thomson, mai cunoscut drept Lord Kelvin. El a descoperit că atunci când un curent electric traversează un conductor cu un capăt mai cald decât celălalt, materialul fie absoarbe, fie eliberează căldură. Direcția curentului în raport cu diferența de temperatură determină dacă materialul se răcește sau se încălzește.

Acest fenomen, numit efectul Thomson, a fost observat în metale comune precum cuprul și zincul și a devenit unul dintre pilonii termoelectricității. Ulterior, a fost descoperit și un efect Thomson negativ în metale ca fierul, unde procesul se desfășoară invers.

Pornind de la aceste observații, fizicienii au teoretizat că ar trebui să existe și o variantă „transversală” a acestui efect – o schimbare de temperatură care apare perpendicular pe direcția curentului electric. Timp de aproape două secole, însă, nimeni nu a putut să o demonstreze experimental. Până acum.

Rezolvarea misterului: cum a fost observat efectul Thomson transversal

Pentru a produce în sfârșit efectul Thomson transversal, cercetătorii de la două institute japoneze au folosit un material special, un semimetal compus din bismut și antimoniu (Bi₈₈Sb₁₂). Într-un aranjament ingenios, au aplicat un curent electric de-a lungul unei foi subțiri din acest material, un gradient de temperatură pe lățimea ei și un câmp magnetic perpendicular pe ambele.

Rezultatul a fost spectaculos. Echipa a demonstrat că poate nu doar să încălzească sau să răcească materialul în mod controlat, ci și să inverseze complet procesul prin simpla schimbare a direcției câmpului magnetic.

Analiza a arătat că, deși pe margini a apărut un alt fenomen (efectul Ettingshausen), cea mai mare parte a materialului a înregistrat o schimbare uniformă de temperatură, confirmând prezența efectului Thomson transversal. Mai mult, autorii estimează că acest efect este cu aproximativ 15% mai puternic decât cel original, descoperit de Kelvin, și ar putea fi chiar mai pronunțat în alte materiale.

La baza efectului Thomson stă un principiu fundamental: electronii sunt mai dens concentrați în zonele reci ale unui material. Când curentul îi forțează să se miște între zone cu temperaturi diferite, se creează sau se eliberează energie potențială sub formă de căldură.

Este important de clarificat că acest fenomen este diferit de efectul Joule-Thomson, o altă descoperire a lui Kelvin din aceeași perioadă, care se referă însă la comportamentul gazelor, nu al solidelor.

Studiul a fost publicat în prestigioasa revistă Nature Physics.