Если нагреть один конец проводника, а другой оставить холодным, электроны начинают перетекать от горячего к холодному. Обычно это создаёт напряжение вдоль проводника — как вода, текущая по наклонному жёлобу. Но в некоторых материалах электроны отклоняются вбок, и напряжение возникает поперёк. Это похоже на фокусника, который дует на шарик, а тот улетает не вперёд, а в сторону. Такой боковой отклик называют поперечным термоэлектрическим эффектом.
В новой работе исследователи взяли сплав железа и кремния — Fe5Si3 — и сделали из него тонкую плёнку. При комнатной температуре поперечный отклик оказался очень сильным: примерно 1,5 микровольта на каждый градус перепада. Для сравнения, у обычных металлов этот показатель в сотни раз меньше. Более того, часть сигнала сохранялась даже при нагреве выше комнатной температуры, что редкость.
Расчёты показали, что причина такой эффективности — в особом устройстве электронных уровней. В этом материале одновременно сосуществуют несколько необычных состояний, которые обычно встречаются по отдельности. Из-за этого электроны, движущиеся в разные стороны, по-разному реагируют на магнитное поле, и в результате возникает сильный боковой отклик. Важно, что материал состоит всего из двух распространённых элементов, поэтому он дёшев и доступен.
Такой сплав может пригодиться в устройствах, которые улавливают бросовое тепло — например, от выхлопных труб или микросхем — и превращают его в электричество. Пока это лишь лабораторный результат, но он показывает, что простые материалы могут вести себя удивительно сложно и полезно.
Эффект поперечного термоэлектричества назван в честь немецкого физика Вальтера Нернста, который обнаружил его в 1886 году. С тех пор его искали в самых разных материалах, но только недавно выяснилось, что некоторые магнитные сплавы дают особенно сильный отклик.
В романе Фрэнка Герберта «Дюна» пустынные жители носят специальные костюмы, которые перерабатывают тепло тела в полезную энергию. Похожие принципы — превращение тепла в электричество — лежат в основе термоэлектрических материалов, хотя до фантастической эффективности им пока далеко.