Физики доказали, что магнитное поле изменяет передачу тепла материалом

Итальянские учёные создали устройство, которое демонстрирует, что магнитное поле может контролировать передачу тепла от одного тела к другому. Это явление было впервые предсказано 50 лет назад физиками Казуми Маки (Kazumi Maki) и Алланом Гриффином (Allan Griffin), которые основывали свою работу на теории Брайана Джозефсона (Brian Josephson).

Теория Джозефсона гласила, что электроны могут переходить между двумя сверхпроводниками, разделёнными тонким слоем диэлектрика, по принципу туннельного эффекта. Впоследствии версия физика нашла подтверждение и была реализована в сверхчувствительных магнитометрах — СКВИДах (SQUID).

Франческо Джацотто (Francesco Giazotto) и Мария Хосе Мартинес-Перес (María José Martínez-Pérez) из Высшей нормальной школы в Пизе (Scuola Normale Superiore) изучали термические свойства СКВИДа. Он представлял собой два Y-образных сверхпроводника, соединённых таким образом, чтобы концы образовывали замкнутую петлю, но при этом были разделены двумя кусочками изоляционного материала.

Учёные открыли, что магнитное поле (пунктирные стрелки) может регулировать поток тепла, передаваемый от горячего сверхпроводника (красный) к холодному (синий) через изолирующий барьер (жёлтый) (иллюстрация Nature).

Исследователи нагревали один конец устройства и измеряли количество тепла, переносимого на противоположную сторону. При этом они воздействовали на сверхпроводники магнитным полем. Оказалось, что при изменении силы магнитного поля количество тепла, которое передавалось через устройство, также менялось. При определённых условиях процесс переноса тепла и вовсе частично разворачивался в обратную сторону: изменение температуры шло против логики – нагрев шёл от холодного конца СКВИДа к тёплому.

На первый взгляд это явление нарушает ни много ни мало второй закон термодинамики, который гласит, что тепло всегда переходит от более горячего тела к более холодному. Но Джацотто объясняет, что на самом деле наблюдаемый эффект вписывается в существующие представления, так как магнитное поле влияет только на часть теплового потока, и большая его часть двигается в соответствии с основными законами физики.

По мнению авторов работы, опубликованной в журнале Nature, магнитное поле изменяет квантовые фазы, то есть положение пиков и провалов волновой функций, описывающих движение электронных пар в петле сверхпроводников. Наибольший поток тепла наблюдается, когда пики обоих половин СКВИДа совпадают и таким образом суммируются. И наоборот, когда пики одной половины совпадали с провалами другой, исследователи отмечали наименьшую теплопередачу.

Джацотто считает, что новое исследование поможет создать крошечные, но эффективные тепловые двигатели. Он также надеется, что необычный эффект можно будет использовать для реализации абсолютно нового направления "когерентной калоритроники" (по аналогии с электроникой) − систем передачи информации за счёт включения и выключения передачи тепла.

То есть в будущем наблюдаемое явление может лечь в основу нового поколения электронных устройств, которые используют тепло, а не электрический заряд в качестве носителя информации.