量子力學的奇異世界又變得更加奇異了，因為發現磁場可以控制熱量從一個物體流向另一個物體。這種效應早在近 50 年前就被預測到，有一天可能會成為新一代電子裝置的基礎，這些裝置使用熱量而不是電荷作為資訊載體。
這項研究源於物理學家布萊恩·約瑟夫森的工作，他在 1962 年預測電子可以在兩個被薄絕緣層隔開的超導體之間“隧穿”——這是一個在經典物理學中被禁止的過程。後來建造了約瑟夫森結，並用於製造超導量子干涉器件 (SQUID)，這些器件現在作為超靈敏磁力計在市場上銷售。
在最新的工作中，義大利比薩 NEST 奈米科學研究所的弗朗西斯科·賈佐託和瑪麗亞·何塞·馬丁內斯-佩雷斯測量了這些器件的熱行為——即它們內部的電子如何傳遞熱量。兩人加熱了一個長度為幾微米的 SQUID 的一端，並監測了與其相連的電極的溫度。SQUID 由兩個 Y 形超導體組成，它們連線在一起形成一個環路，但中間夾著兩片薄薄的絕緣材料（見圖）；當研究人員改變穿過環路的磁場時，流過器件的熱量也隨之改變。這種效應符合卡祖米·牧（Kazumi Maki）和艾倫·格里芬（Allan Griffin）在 1965 年提出的理論。
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該裝置的工作原理是部分逆轉熱傳遞，使一些熱量從較冷的物體流向較熱的物體。“這完全是違反直覺的，”賈佐託說。“人們習慣於將熱量視為無序，那麼你如何對其施加量子秩序呢？令人驚訝的是，帶有約瑟夫森結的裝置可以做到這一點。”
違反法則
賈佐託說，這種明顯違反熱力學第二定律（該定律指出熱量總是從較熱的物體流向較冷的物體）的行為實際上是完全合法的，因為只有部分總熱流會受到相位變化的影響。當您也考慮到單個電子傳遞的熱量（就像在普通金屬內部發生的那樣）時，淨流量仍然是從熱端到冷端。
與它的電學對應物一樣，這種熱流的變化可以用超導體的“相位”來解釋——即 SQUID 環路中描述超導電子對的波函式的峰和谷的位置。當環路一半內部的峰與另一半的峰對齊時，熱流量最大，而當峰與谷相遇時，流量最小。磁場使這些相位彼此相對移動，從而改變熱流量。
荷蘭代爾夫特理工大學的特恩·克拉普韋克將賈佐託和馬丁內斯-佩雷斯的研究描述為“可愛”但“不足為奇”。他還懷疑它是否會有重要的實際應用。“唯一可能的領域是固態製冷，這將取代低溫液體，”他說。
但賈佐託認為，這項研究可能有助於實現小型但高效的熱機。他還希望它可能構成“相干熱電子學”的基礎，在其中，資訊由熱交換而不是電交換攜帶。在普通的電晶體中，電壓切換一個電開關的開和關，並且這些裝置可以組合起來形成邏輯閘，即計算機晶片的構建模組；而熱電子學將使用“熱電晶體”來切換熱傳遞的開和關。此前，賈佐託和其他人已經制造出使用電場而不是磁場來控制熱交換的裝置。