Подтверждено: Магнетизм управляет потоком тепла

Источник -  журнал nature

Удивительный мир квантовой механики только что стал еще более странным в связи с открытием, что магнитное поле может контролировать поток тепла от одного тела к другому. Впервые такой эффект был предсказан почти 50 лет назад, и теперь, в один прекрасный день, открытая возможность может составить основу нового поколения электронных устройств, которые используют тепло, а не заряд в качестве носителя информации.

Исследование связано с работой физика Брайана Джозефсона, который в 1962 году предсказал, что электроны могут формировать "туннель" между двумя сверхпроводниками, разделенными тонким слоем диэлектрика - процесс, запрещенный в классической физике. «Переход Джозефсона» впоследствии был «построен» и используется в создании сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (SQUID), которые в настоящее время продаются под торговой маркой сверхчувствительных магнитометров.

 В последней работе, Франческо Жиазотто (Giazotto) и Мария Хосе Мартинес-Переса в Институте нанонауки в Пизе, Италия (NEST), измеряется устройство теплового поведения - то есть, как электроны между собой передают тепло. В эксперименте SQUID состоит из двух Y-образных объединенных деталей сверхпроводника, образовавших петлю, но с двумя тонкие кусочками изоляционного материала, зажатыми между ними (см. рисунок).

Когда исследователи варьировали магнитное поле, проходящее через контур, количество тепла, протекающего через устройство, также изменялось. Эффект происходил в соответствии с теорией, выдвинутой Казуми Маки и Алланом Гриффином в 1965 году.

Устройство работает,  частично реверсируя передачу тепла, так что в определенный момент тепло перетекает от холодного тела к теплому. «Это произошло интуитивно», - говорит Жиазотто. "Люди привыкли думать о тепле, как беспорядке, и как можно установить в нем квантовый порядок? Удивительно, но устройство  Джозефсона это делает".

Это явное нарушение второго закона термодинамики - который гласит, что тепло всегда будет течь от горячего к холодному телу . Но это, по сути, совершенно законно, говорит Жиазотто, потому что только часть общего потока тепла зависит от изменения фазы . Если также учесть тепло, передаваемое от одиночных электронов, как это происходит в нормальных металлах, чистый приток по-прежнему происходит от горячего к холодному концу.

Как и его электрическая составляющая, это изменение теплового потока может быть объяснено с точки зрения «фазы» сверхпроводника, - положение пиков и падений волновой функции, описывающей сверхпроводящие пары электронов в SQUID цикле. Наибольший поток тепла происходит, когда пики внутри одной половины цикла совпадают с пиками в другой половине, и поток имеет минимальные значения, когда пики отвечают впадинам. Магнитное поле сдвигает эти фазы относительно друг друга, таким образом, изменяя тепловой поток.
   Жиазотто утверждает, что исследование сможет быть полезным в создании крошечных, но очень эффективных тепловых двигателей. Он также надеется, что эффект может быть использован в переносе информации, заменив электрическую передачу на тепловую.  Так, вместо  транзисторов с электрическим переключением могут быть созданы транзисторы на основе теплообмена под действием  магнитного поля.