量子力学的奇异世界又变得更加奇异了，因为发现磁场可以控制热量从一个物体流向另一个物体。这种效应早在近 50 年前就被预测到，有一天可能会成为新一代电子设备的基础，这些设备使用热量而不是电荷作为信息载体。
这项研究源于物理学家布莱恩·约瑟夫森的工作，他在 1962 年预测电子可以在两个被薄绝缘层隔开的超导体之间“隧穿”——这是一个在经典物理学中被禁止的过程。后来建造了约瑟夫森结，并用于制造超导量子干涉器件 (SQUID)，这些器件现在作为超灵敏磁力计在市场上销售。
在最新的工作中，意大利比萨 NEST 纳米科学研究所的弗朗西斯科·贾佐托和玛丽亚·何塞·马丁内斯-佩雷斯测量了这些器件的热行为——即它们内部的电子如何传递热量。两人加热了一个长度为几微米的 SQUID 的一端，并监测了与其相连的电极的温度。SQUID 由两个 Y 形超导体组成，它们连接在一起形成一个环路，但中间夹着两片薄薄的绝缘材料（见图）；当研究人员改变穿过环路的磁场时，流过器件的热量也随之改变。这种效应符合卡祖米·牧（Kazumi Maki）和艾伦·格里芬（Allan Griffin）在 1965 年提出的理论。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻工作 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
该设备的工作原理是部分逆转热传递，使一些热量从较冷的物体流向较热的物体。“这完全是违反直觉的，”贾佐托说。“人们习惯于将热量视为无序，那么你如何对其施加量子秩序呢？令人惊讶的是，带有约瑟夫森结的设备可以做到这一点。”
违反法则
贾佐托说，这种明显违反热力学第二定律（该定律指出热量总是从较热的物体流向较冷的物体）的行为实际上是完全合法的，因为只有部分总热流会受到相位变化的影响。当您也考虑到单个电子传递的热量（就像在普通金属内部发生的那样）时，净流量仍然是从热端到冷端。
与它的电学对应物一样，这种热流的变化可以用超导体的“相位”来解释——即 SQUID 环路中描述超导电子对的波函数的峰和谷的位置。当环路一半内部的峰与另一半的峰对齐时，热流量最大，而当峰与谷相遇时，流量最小。磁场使这些相位彼此相对移动，从而改变热流量。
荷兰代尔夫特理工大学的特恩·克拉普韦克将贾佐托和马丁内斯-佩雷斯的研究描述为“可爱”但“不足为奇”。他还怀疑它是否会有重要的实际应用。“唯一可能的领域是固态制冷，这将取代低温液体，”他说。
但贾佐托认为，这项研究可能有助于实现小型但高效的热机。他还希望它可能构成“相干热电子学”的基础，在其中，信息由热交换而不是电交换携带。在普通的晶体管中，电压切换一个电开关的开和关，并且这些设备可以组合起来形成逻辑门，即计算机芯片的构建模块；而热电子学将使用“热晶体管”来切换热传递的开和关。此前，贾佐托和其他人已经制造出使用电场而不是磁场来控制热交换的设备。