100 Jahre nur Mythos: Spezieller "Thomson-Effekt" wurde beobachtet

Ob ein Material Wärme erzeugt oder Kälte - das lässt sich gezielt steuern, wenn Strom, Magnetfeld und Temperaturgefälle genau aufeinander abgestimmt sind. Forschern ist es nun gelungen, einen lange gesuchten Wärmeeffekt erstmals sichtbar zu machen.

100 Jahre Theorie, jetzt in der Realität angekommen

Manche Materialien lassen sich dazu bringen, gezielt Wärme abzugeben oder zu schlucken - je nachdem, wie Strom, Hitze und Magnetfeld auf sie einwirken. Ein japanisches Forschungsteam hat jetzt erstmals gezeigt, dass sich Wärme nicht nur entlang des Stromflusses, sondern auch seitlich davon gezielt beeinflussen lässt - etwas, das Physiker seit über 100 Jahren vermuten, aber nie nachweisen konnten.

Die klassischen thermischen Effekte - Seebeck, Peltier - bilden seit dem 19. Jahrhundert die Grundlage unseres Verständnisses vom Zusammenspiel von Strom und Wärme. Auch der klassische Thomson-Effekt ist seit Langem bekannt: Er beschreibt, wie ein Material sich erwärmt oder abkühlt, wenn Strom und Temperaturgefälle in dieselbe Richtung wirken. Doch schon damals wurde spekuliert, dass es erweiterte Varianten dieser Effekte geben könnte. Eine davon: Der transversale Thomson-Effekt - theoretisch vorhergesagt, aber bis heute unbelegt.

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Der transversale Thomson-Effekt wurde bisher experimentell nicht beobachtet. Hier berichten wir über die Beobachtung dieses Effekts.

Der Grund, warum der Effekt so lange unentdeckt blieb: In realen Materialien wirken mehrere thermische Effekte gleichzeitig - und überlagern sich. Besonders der sogenannte Ettingshausen-Effekt, der ebenfalls Wärme unter Strom und Magnetfeld erzeugt, macht es schwer, den gesuchten Effekt herauszufiltern. Das Team um Atsushi Takahagi (Nagoya University) und Ken-ichi Uchida (University of Tokyo) entwickelte deshalb eine Messmethode, die gezielt nur das gesuchte Signal sichtbar macht: sogenannte Lock-in-Thermografie.

Mit einer Infrarotkamera beobachteten die Forscher, wie sich die Temperatur eines Probenmaterials unter periodisch wechselndem Strom verändert - und filterten gezielt nur jene Anteile heraus, die synchron mit dem Stromsignal schwingen. Entscheidend war der Vergleich zweier Messungen: einmal mit, einmal ohne Temperaturgefälle. Erst deren Differenz offenbarte den eigentlichen transversalen Thomson-Effekt. Das japanische Team musste erst mal genau sortieren (Credit: Takahagi) Für ihr Experiment wählten die Forscher eine spezielle Bismut-Antimon-Legierung (Bi₈₈Sb₁₂), die besonders stark auf Temperaturunterschiede und Magnetfelder reagiert. In solchen Materialien treten Effekte auf, bei denen aus einem Temperaturgefälle eine Spannung entsteht - oder umgekehrt: aus Strom eine seitliche Temperaturänderung. Genau diese Eigenschaften halfen dem Team, den bislang unentdeckten Effekt sichtbar zu machen.

Richtung Fortschritt

Die Forscher stellten fest: Je nach Richtung und Stärke des Magnetfelds kann der Effekt plötzlich seine Wirkung umkehren - statt Wärme zu erzeugen, entzieht er dem Material Energie - und kühlt damit. Dieser Wechsel liegt daran, dass im Effekt zwei Einflüsse gegeneinander arbeiten. Mal überwiegt der Anteil, der eher Wärme erzeugt, mal der, der für Abkühlung sorgt - je nachdem, wie das Magnetfeld eingestellt ist.

Die Studie, veröffentlicht in Nature Physics (DOI: 10.1038/s41567-025-02936-3), bringt nicht nur ein altes theoretisches Modell erstmals in die experimentelle Realität. Sie öffnet auch Wege für neue Anwendungen - etwa dort, wo punktgenaue Wärmeleitung oder lokales Kühlen gefragt sind. Denkbar wären Sensorchips, Energie-Recycler oder neuartige Kühlflächen.


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