向电导体施加温度梯度和充电电流会导致热量的释放和吸收，这称为汤姆森效应（Thomsoneffect）。科学家现在首次直接观察到了磁汤姆森效应（magneto-Thomsoneffect），这是磁场引起的汤姆森效应机制。这一成功将有助于开发热能管理的新功能和新技术，促进热电效应、磁热电转换的基础物理学和材料科学的发展。
汤姆森效应（左）与磁汤姆森效应（右）热电效应（Thermoelectriceffect）是一个由温差产生电压的直接转换，且反之亦然。简单的放置一个热电装置，当他们的两端有温差时会产生一个电压，而当一个电压施加于其上，也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度，冷却或加热物体。因为这个加热或制冷的方向决定于施加的电压，热电装置让温度控制变得非常的容易。
一般来说，热电效应这个术语包含了三个分别定义的效应：赛贝克效应（Seebeckeffect）、珀耳帖效应（Peltiereffect），与汤姆森效应。前两者已被广泛应用于热电转换技术。伴随着这些效应，汤姆森效应早已被公认为是金属和半导体中的基本热电效应。尽管多年的研究结果已经很好地理解了磁场和磁力对塞贝克效应和珀耳帖效应的影响，但是由于难以测量和评估，对汤姆逊效应的影响一直尚不清楚。
赛贝克效应（左）与珀耳帖效应（右）研究人员观察到电导体中的热量释放和吸收，方法是同时在导体上产生温度梯度，使充电电流通过该梯度，然后施加磁场。研究小组使用一种称为锁定热成像的热检测技术，精确测量了导体中与放热和吸收有关的温度变化。结果，发现释放和吸收的热量与温度梯度的大小和充电电流均成正比。
此外，研究小组观察到当磁场施加到导体上时，所得温度变化显着增强。在这项研究中进行的系统测量表明，在磁场下检测到的放热和吸收信号确实是由磁汤姆森效应产生。在该实验中使用的铋锑合金中观察到的这种效应表现出非常高的热电转换性能，可以达到塞贝克效应和珀尔帖效应的热电转换性能水平。
如下图所示对汤姆森热电效应的成像。须将这种效应与更广为人知的热电效应：塞贝克效应、珀耳帖效应、以及焦耳加热效应区分开。塞贝克效应描述了充电电压V的产生从温差ΔT（左上，以红色显示），存在于两种材料不同的界面之间的塞贝克系数SA和SB（以绿色和蓝色显示）。珀耳帖效应是当充电电流Jc相同时对同一系统的加热或冷却流经接口（左下）。汤姆逊效应是单位温度下材料上每单位温度升高所产生的移动电荷所携带的热量，它可以体现在一种导电材料中（右，以灰色显示）。根据电荷和热流的相对方向，热量会从周围环境吸收或释放出来。
当描述材料如何将温度差转换为电流时，最常出现“热电”一词，反之亦然。但是，这些描述通常忽略了汤姆森效应，在传导材料中同时受到充电电流和温度梯度作用的附加加热或冷却效应。现在，研究人员已经成功地对这种效应进行了成像，并直接显示了其在材料中引起的加热和冷却的逆转。该研究结果可能会影响磁性系统中热电设备的设计，例如自旋电子学应用中的热开关。
想象一种由两种材料夹在中间的设备。升高两种材料之间的界面温度会引起整个器件上的电势差，该电势差与感应的温度梯度成比例，这种现象被称为塞贝克效应，反向过程（通过充电电流的流动来加热或冷却界面）被称为珀耳帖效应。汤姆森效应还在热电行为中起作用。但是，由于它很难测量，因此常常被忽略。
汤姆逊效应既取决于温度梯度，又取决于材料上的充电电流。与塞贝克效应与珀耳帖效应不同，汤姆森效应不需要两种材料的存在，它可以在一种物质的均质平板中发生。
近一百年来，科学家一直试图直接测量汤姆森效应及其对其他热物理现象的影响。但是直到现在，这种影响只是通过比较材料中的焦耳热与汤姆森效应引起的加热或冷却来间接检测，该新研究解决了这一缺陷，首次对效果进行了直接测量。
在他们的实验中，研究了由铋锑合金Bi88Sb12制成的非磁性导体在3.5毫米厚的平板中的吸热和散热，平板的每个末端都保持在固定温度下。在平板的中心，附加了一个直流加热器，该设备加热了板坯的中心，在整个材料上产生了一个“双极”温度梯度，两端均比中心低。
然后，研究小组使一个周期性的方波电流通过平板，从而微弱地调节了平板的温度曲线。为了测量平板的温度分布，研究小组使用热像仪将其成像，并将其锁定在方波电流的频率上。已知由于磁场产生的电磁力会改变塞贝克系数和汤姆森系数，因此研究小组还进行了相同的实验，同时向材料施加了强度高达0.9T的磁场。
通过锁定这种周期性的温度变化，研究团队可以将由珀耳帖效应和汤姆森效应引起的热量变化与恒定（直流）焦耳加热所产生的热量变化区分开。然后，团队在关闭加热器的情况下进行了相同的实验，这使他们能够分离出汤姆森效应和珀尔帖效应。进一步证实他们已经隔离了汤姆逊效应的发现是，观察到的效果是随着充电电流密度和温度梯度的增加而线性增加，这是汤姆逊模型预测的行为。
在没有磁场的情况下，研究小组的热图像表明，平板具有温度调制功能，可根据平板的汤姆森效应来改变平板中心的方向。打开磁场后，他们发现这些温度调制的幅度增加了90.3％。这个高值使得磁汤姆森系数可与材料的塞贝克系数相媲美，并且显着高于相应的磁场引起的材料的热导率和电导率变化及其塞贝克系数。
当施加磁场时，汤姆森系数的增加表明材料的冷却效率有潜在的提高。此行为可用于创建磁性冷却装置，其中的汤姆森效应可补偿焦耳热。
该技术还可以用于研究磁性材料中的其它热电效应，例如自旋汤姆森效应，这是另一种难以捉摸的热电现象。科学家已经证明了自旋相关的热电效应的存在，其控制参数以及充电电流和温度电流还具有额外的自由度：单个电子自旋或称为自发振子的集体自旋激发。
已经在金属和绝缘磁系统中研究了塞贝克效应和珀尔帖效应的自旋模拟，它们是“自旋量热电子学”新兴领域的基础。因此，将这种技术应用于自旋量热电子实验将很有前途，以查看早期工作中研究的器件中是否存在自旋汤姆森效应。这种影响可能会对自旋量热电子设备产生巨大影响，因为它可以为设计可编程热电流开关或阀门提供一条途径。
最后，由于其他热电效应具有所谓的昂萨格互逆关系(Onsagerreciprocalrelations)，这种关系表示不平衡的热力学系统中流量和力之间的某些比率相等，存在局部平衡的概念。例如，珀尔帖效应是塞贝克效应的互逆关系，因此，新的结果提出了是否存在汤姆森反效应互逆的问题。当热电材料中发生局部吸热或析出时，是否出现与充电电流平行或反平行的温度梯度？设计一个实验系统来测试汤姆逊反效应将是困难的，但并非不可能。例如，诸如扫描探针测温法等技术的最新进展，可以使研究人员通过在纳米级引入局部加热或冷却来局部探测汤姆逊反效应。
这项研究揭示了磁汤姆森效应的基本性质，并建立了测量和评估该效应的技术。该研究结果论文发表在最近的《物理评论快报》上
参考：ObservationoftheMagneto-ThomsonEffect.journals.aps.org/prl/abstract/10./PhysRevLett..