近日，來自日本國家材料科學研究所和東北大學的研究人員有史以來第一次共同觀察到了各向異性磁—珀爾帖效應。該效應是一種熱電轉換現象，其主要通過磁性材料中充電電流的簡單重定向來引起加熱和冷卻現象。

用于測量各向異性磁致珀耳帖效應和鎖定U形鐵磁體熱圖像的實驗配置；

圖片來源：日本國家材料科學研究所。

傳統意義上，熱電加熱和冷卻是通過向兩個不同的電導體之間的接點施加充電電流來實現的。在這項研究中，研究人員在沒有使用接合結構的情況下，僅僅借助單一磁性材料就展示了這一創新的熱控制功能。盡管這只是基本的熱電轉換現象之一，但各向異性的磁-珀耳帖效應長期以來并未被人們發現。該研究小組認為，這項研究將促進熱電轉換的理論基礎和應用研究的進一步發展。

熱電效應可用于實現半導體和金屬材料中電荷和熱流之間的轉換。一個非常熟悉的轉換實例就是珀耳帖效應，該效應是指當有電流通過不同的導體組成的回路時，除產生不可逆的焦耳熱外，在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象。這是J.C.A.珀耳帖在1834年發現的。如果電流通過導線由導體1流向導體2，則在單位時間內，導體1處單位面積吸收的熱量與通過導體1處的電流密度成正比。盡管該效應在近兩個世紀前就被發現，但迄今為止全球范圍內的許多研究人員仍在進行關于該效應的科學研究，以試圖優化電子器件中的熱電轉換效率，并在更廣泛的技術中使用這種現象，例如開發更加節能的技術以及運行更加高效的電腦等。

日本國家材料科學研究所領導的研究團隊采用的是一種被稱為鎖定熱成像的熱測量方法，該方法能夠在施加充電電流時對磁性材料中的溫度變化進行系統測量。因此，根據電荷電流的方向與磁性材料中的磁化方向之間的角度，就可以觀察到珀耳帖系數的變化。早些時候，人們觀察到“塞貝克效應”——一種由于導體之間的溫差而產生電荷電流的現象——會隨著磁化方向的變化而變化。這就是所謂的各向異性磁-塞貝克效應。然而，在此研究之前，不可能觀察到各向異性的磁—珀耳帖效應，也即各向異性的磁—塞貝克效應。

通過應用各向異性磁-珀耳帖效應，磁性材料的熱電溫度可以通過僅改變材料中的充電電流并在其內形成不均勻的磁化構造來控制，而不是通過在兩個不同的電導體之間形成連接點來控制。在接下來的研究工作中，該研究小組將致力于識別和制造能夠表現出各向異性磁性—珀耳帖效應的磁性材料，并將其用于能夠使電子設備更加節能的熱量管理技術應用中。

該研究團隊主要包括內田健一先生（自旋磁熱電子學研究中心，磁性和自旋電子材料研究中心，日本國家材料科學研究所），Ryo Iguchi（研究人員，自旋熱電子學團隊，磁性和自旋電子材料研究中心，日本國家材料科學研究所），俊助達夢（日本東北大學材料研究所高分子材料研究所研究生，現任東京大學助理教授），齋藤英治（東北大學材料研究所教授，現任東京大學教授）等人。

該項研究主要由JST戰略基礎研究計劃（JPMJCR1711）和用于科學研究的jsp（A）（JP15H02012）基金聯合贊助支持。