Магнитное поле «переключает» направление потоков тепла в сверхпроводнике

Вопреки законам классической физики, но в полном соответствие с законами физики квантовой, магнитное поле может изменять направление потоков тепла между горячим и холодным сверхпроводниками. Этот, обнаруженный физиками из Пизы, Италия, квантово-механический эффект, способен породить новый класс устройств, в которых носителем информации станет тепловой поток, а не электрический ток.

Ещё около пятидесяти лет тому назад теоретически было предсказано, что электроны могут тунеллировать - просачиваться между сверхпроводниками, разделенными тонким слоем изолятора. В классической физике этот процесс запрещен, но он хорошо описывается в рамках квантовой физики и был использован учеными для изготовления туннельного перехода. Позднее, на основе такого перехода было создано сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство, нашедшее коммерческое использование в сверх чувствительных магнетометрах.

Два у-образных сверхпроводника магнетометра соединены вместе через тонкие полоски изолятора, по форме образуя петлю. Несмотря на присутствие изолятора, вопреки законам классической физики, электрический ток имеет возможность перетекать между двумя половинами петли. В эксперименте физиков из Пизы петлю магнетометра помещали в магнитное поле и, нагревая часть одного из сверхпроводников длиной в несколько микрон, регистрировали температуру на конце другого. Оказалось, что изменяющееся магнитное поле способно изменять количество тепла, протекающего через устройство. Более того, устройство работало так, что в некоторые моменты частично перенаправляло поток тепла от холодного тела к нагретому.

Это нарушение второго закона термодинамики только кажущееся. Доля потока тепла, переносимого обычными единичными электронами, всегда направлена от горячего к холодному. Обнаруженная аномалия связана со сверхпроводящей фазой. Пары сверхпроводящих электронов этой фазы описываются квантово-механической (вероятностной) волновой функцией для каждой из половин петли. Максимальный поток тепла имеет место тогда, когда периодические волновые функции обеих половин петли находятся в фазе и достигает минимума, когда волновые функции находятся в противофазе. Магнитное поле, сдвигая фазы друг относительно друга, модифицирует поток тепла.

Ученые предполагают, что описанное явление может быть положено в основу тепловых транзисторов, переключающих потоки тепла.