خب رفیق، یه خبر هیجان‌انگیز از دنیای فیزیک برات دارم! بالاخره بعد از ۱۷۴ سال، دانشمندای ژاپنی تونستن اثر تامسون عرضی (Transverse Thomson Effect) رو تو آزمایش واقعی نشون بدن.
حالا اصلاً این اثر تامسون چی هست؟ بذار واضح بگم: توی فیزیک، یه عالمه پدیده وجود داره که به رابطه بین گرما و برق مربوط میشه. تو قرن نوزدهم فیزیک‌دان‌ها فقط تئوری داشتن که این اثر تامسون عرضی باید وجود داشته باشه، یعنی جوری که جریان برق و شیب دمایی توی مواد کنار هم قرار می‌گیرن یه جور خاص گرما رو منتقل می‌کنه. اما هیچ‌وقت تو آزمایشگاه کسی نتونسته بود دقیقا همین رو ببینه – تا الان!
حالا قشنگ قصه اینه که دانشمندای ژاپنی یه آلیاژ خاص ساختن که ترکیبی از بیسموت و آنتیموانه (Bi88Sb12). این ترکیب خاصیت‌های عجیبی داره و یکی‌ش اثر نرنست قوی دور و بر دمای اتاقه. (اثر نِرنِست یعنی وقتی توی یه ماده فلزی یا نیمه‌هادی، میدان مغناطیسی و گرادیان دما به هم عمود باشن، ولتاژ به صورت عرضی تولید میشه!) برای همینم این ماده خیلی به درد این نوع آزمایش خورد.
کل قضیه هم سر زاویه‌هاست! یعنی چی؟ یعنی اگه بخوای گرم و سرد شدن یه قطعه رو کنترل کنی، لازم نیست مثل سیستم‌های پلتیر (Peltier) فقط جریان رو برعکس کنی یا یه سری قطعه اضافه بکنی. راحت یه میدان مغناطیسی رو برعکس کن و همه چی عوض میشه! مثلاً فکر کن یه دستگاه داشته باشی که فقط با عوض کردن جهت میدان مغناطیسی خودش، یه قسمت خاص رو هم گرم کنه، هم سرد. قشنگ پرش به آینده‌ست!
حالا سوال: قبلاً چرا کسی اثر تامسون عرضی رو پیدا نکرده بود؟ چون همیشه مزاحم‌هایی بودن! اثر پلتیر و اثر اتینگ‌هاوزن (Ettingshausen effect – اونم یه پدیده‌ی ترموالکتریکیه که می‌تونه کار رو بهم بریزه و سیگنال‌ها رو قاطی کنه) نمی‌ذاشتن دانشمندها سیگنال درست رو ببینن.
ولی تیم ژاپنی با یه حقه باحال این مشکل رو دور زدن؛ اونا جریان الکتریکی رو از طول ماده عبور دادن و میدان مغناطیسی رو از بالا به صورت عمود وارد کردن. برای اینکه مطمئن بشن دقیقاً دارن همون چیزی که می‌خوان رو می‌بینن (یعنی بخوان سیگنال اثر تامسون رو از نویز و گرمایش ژولی جدا کنن – گرمایش ژولی یعنی همون گرمای ساده‌ای که از عبور جریان توی هر سیمی درست میشه)، از دوربین مادون قرمز استفاده کردن. دقیقاً دما رو لحظه به لحظه پایش کردن و کاملاً تونستن سیگنال مورد نظر رو از بقیه جدا کنن.
نکته‌ی کلیدی این آزمایش اینه که تو این جنس خاص Bi88Sb12، به خاطر وجود اثر نرنست قوی تو دمای اتاق، دانشمندا تونستن به طور واضح ببینن که با تغییر جهت میدان مغناطیسی میشه الگوی گرما و سرما رو عوض کرد!
یعنی اگه میدان مغناطیسی رو برعکس کنن، اون جایی که قبلاً سرد می‌شد حالا گرم میشه و بالعکس! این خیلی عجیبه چون تو وسایل فعلی باید کلی قطعه اضافه کنید تا این اتفاق بیفته.
راستی، فرق اثر تامسون معمولی با تامسون عرضی اینه که اون معمولی فقط به مشتق دمایی ضریب سی‌بک (Seebeck coefficient – این ضریب نشون میده یه ماده چقدر می‌تونه اختلاف دمایی رو به اختلاف پتانسیل (ولتاژ) تبدیل کنه) وابسته‌ست، ولی تامسون عرضی به مشتق دمایی و همینطور اندازه‌ی ضریب نرنست هم بستگی داره!
تازه دانشمندها یه روش قشنگ دیگه هم زدن؛ نتایج رو با و بدون گرادیان دما مقایسه کردن، بعد تفریق کردن تا دقیقاً اثر خالص تامسون عرضی رو دربیارن. خلاصه که صفر و صد کارشون تمیز درومد.
اهمیت این کار چیه؟ خب حالا که داریم می‌بینیم با یک حرکت ساده میشه کنترل خیلی جالبی رو جریان گرما داشت، امید داریم دستگاه‌های خنک‌کننده یا گرم‌کننده طراحی کنیم که خیلی سریع، دقیق و با کارایی بهتر کار کنن – مخصوصاً تو الکترونیک‌های آینده مثل کامپیوترهای پرسرعت و فناوری‌های فضایی یا حافظه‌های خاص!
الان از این به بعد فیزیک‌دان‌ها دنبال مواد دیگه‌ای می‌گردن که این اثر توشون قوی‌تر باشه؛ چون تازه اول راه تحقیقاته و ممکنه تو آینده چندتا تکنولوژی باحال از دلش دربیاد! اگه دوست داری بیشتر بدونی، خود مقاله توی Nature Physics چاپ شده و حسابی قراره مسیر تحقیقات ترموالکتریک رو عوض کنه!
پس به طور خلاصه: دانشمندای ژاپنی تونستن چیزی رو ببینن که ۱۷۴ سال فقط تئوری بوده و این احتمالاً قراره یه انقلاب تو کنترل گرما در دستگاه‌ها بسازه!
منبع: +
