Тепло сворачивает вбок под магнитом экспресс
Если толкать тепло через кусок кварца, оно обычно идёт прямо, как вода по трубе. Но стоит включить магнитное поле, и поток слегка сворачивает вбок — будто труба вдруг дала боковое ответвление. Такой эффект называют тепловым эффектом Холла, и до сих пор не было ясно, что именно заставляет тепло отклоняться: беспорядок в кристалле или что-то более фундаментальное.
Спектроскопия здесь ни при чём, а вот сравнение кристалла и стекла дало ответ. Исследователи взяли два образца из одного и того же вещества — диоксида кремния: один в виде упорядоченного кристалла кварца, другой в виде аморфного стекла, где атомы расположены хаотично. Через оба пропускали тепло и измеряли температуру одинаковыми термометрами. В кристалле поперечный сигнал был, а в стекле — нет, хотя разрешение приборов позволяло его заметить.
Объяснение авторы строят на том, что тепло в твёрдом теле переносится не одним потоком, а двумя каналами, похожими на две полосы движения. Если эти каналы по-разному реагируют на магнитное поле, то суммарный поток тепла уже не обязан идти строго вдоль градиента температуры. Возникает боковая составляющая. Похожий эффект известен для газов — там он называется эффектом Сенфтлебена–Беенаккера, и вот теперь его увидели в кристалле.
Величина отклонения оказалась удивительно простой для оценки. Тепловой поток заставляет ядра атомов слегка дрейфовать, магнитное поле действует на этот дрейф боковой силой, а возвращает систему к равновесию сила, связанная с энтропией. Три силы — и поперечное сопротивление тепла получается одинаковым для обоих кристаллов, около одной миллионной метра-кельвина на ватт при поле в один тесла.
Поперечное тепловое сопротивление у чистого и грязного кварца оказалось одинаковым с точностью до эксперимента — около 10⁻⁶ м·К/Вт на тесла. Это как если бы ширина боковой струйки не зависела от того, насколько замутнена вода в основной трубе.