اختلاف دما در نیم رساناها سبب ایجاد میدان مغناطیسی میشود
شبیه سازیهای کامپیوتری نشان میدهد که وجود نواحی سرد و گرم در نیمرسانا سبب ایجاد جریان الکتریکی داخلی و درنهایت میدان مغناطیسی میشود. اگر این پدیده به طور تجربی در آزمایشگاه تأیید شود، میتوان از آن در بهبود عملکرد ابزار الکترونیکی که در حین استفاده گرم میشوند، سود جست. درواقع کارشناسان هنوز با دید تردید به این اثر مینگرند و بحث در مورد اهمیت عملی آن را تا دستیابی به نتایج تجربی به تعویق انداختهاند.
به طور کلی اختلاف دما میتواند اثرات مهمی روی شارش جریان در نیمرسانا داشته باشد، زیرا الکترونها و حفرهها تمایل دارند از ناحیه گرمتر به ناحیه سردتر شارش پیدا کنند. علاوه براین چنین اثرات گرمایی میتواند با میدانهای مغناطیسی و الکتریکی برهمکنش داشته باشد، که به این پدیده ترموالکترومغناطیس (Thermoelectromagnetic) میگویند.
به عنوان مثال، در اثر نرنست (Nernst) وقتی نیمرسانا در معرض یک اختلاف دمایی و یک میدان مغناطیسی عمود بر آن قرار میگیرد، میدان الکتریکی کوچکی در جهت سوم (یعنی جهتی عمود بر میدان مغناطیسی و اختلاف دمایی) به وجود میآید.
جانکیاو (Junqia Wu) و همکارانش در دانشگاه برکلی، متوجه شدند که در پدیده ترموالکترومغناطیس، میدان مغناطیسی هرگز به عنوان خروجی ایجاد نمیشود بلکه همیشه به عنوان یک میدان ورودی و یا میدانی که روی سیستم اعمال میشود، وجود دارد و نمیدانستند که آیا اگر نیمرسانا در معرض یک میدان الکتریکی و یک اختلاف دمایی قرار بگیرد، میدان مغناطیسی در آن ایجاد میشود یا خیر. بنابراین دو نمونه نیمرسانا (در حد ابعاد میکرون) شامل یک نیمرسانای نوع [n] و یک نیمرسانای نوع [p] را شبیهسازی کردند، به طوری که نیمرسانای نوع n را روی نیمرسانای نوع p قرار دادند. با این کار نزدیک سطح جداکننده این دو، یک ناحیه بدون بار و خنثی به وجود میآید. زیرا الکترونها و حفرههای نزدیک این سطح به طرف یکدیگر حرکت کرده و یکدیگر را خنثی میکنند. بقیه بارهایی که در هردو نیمرسانا وجود دارند و از سطح جداکننده دور هستند، یک میدان الکتریکی به طرف پایین ایجاد میکنند. در ادامه در این شبیهسازی، یک اختلاف دما در دو سر این مجموعه ایجاد کردند، به این صورت که دمای سمت چپ مجموعه 10 میلی کلوین کمتر و سمت راست 10 میلی کلوین بیشتر از دمای اتاق باشد. با اعمال این شرایط در هردو نیمرسانا جریانهای گردابی ایجاد شد. در نیمرسانای نوع n که در بالا قرار داشت الکترونها در لبه بالایی به سمت راست و در بالای سطح جداکننده به سمت چپ حرکت کردند. همین اتفاق در نیمرسانای نوع p رخ داد با این تفاوت که جریان به وسیله حفرهها ایجاد شد و جهت جریان نیز مخالف جهت جریان در نیمرسانای نوع n بود. چنین جریانی باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی میشود که جهت آن به طرف خارج صفحه است. درواقع این جریانها حاصل شبیهسازیهای بسیار پیچیده کامپیوتری هستند و توضیح چگونگی به وجود آمدن آنها توسط پارامترهای فیزیکی دشوار است. به طور خلاصه و نه خیلی دقیق میتوان اینطور توضیح داد که نیمی از حلقه جریان در ناحیه بدون بار و خنثی قرار دارد، یعنی ناحیهای به فاصله حدوداً 100 نانومتر از سطح جداکننده، که تقریباً خالی از بارهای الکتریکی است. این کمبود بار سبب میشود که اثر اختلاف دمایی در این منطقه زیاد باشد و باعث حرکت بیشتر بارهای متحرک از سمت راست به چپ شود. در نواحی دورتر از این ناحیه یعنی نزدیک لبه بالایی و پایینی مجموعه، رسانایی الکتریکی بسیار بالایی وجود دارد و این باعث میشود که بارها حرکت چپ به راست داشتهباشند.
علاوه براین همانطور که جانکیاو میگوید: میدان الکتریکی عمودی به طور مؤثر روی مرکز ابر الکترون و یا حفره اثر میکند در حالی که گرادیان دما روی مرکز جرم اثر میکند و این نیروهای عمود برهم که نقطه اثرهای متفاوتی دارند سبب ایجاد گشتاور روی بارها میشوند. که این استدلال تا حدودی چرخش را توجیه میکند. اثری که به صورت تئوری در سال 2005 توسط عدهای از فیزیکدانان توضیح داده شد.[3] از طرف دیگر او اعتقاد دارد اگر این مجموعه در یک مدار قرار داده شود جریانهای گردابی میتواند سبب اتلاف انرژی شود و این اثر در ابزارهای الکترونیکی که در حین استفاده گرم میشوند ممکن است سبب کاهش بازدهی شود. اما راه حلی نیز برای این مشکل پیشنهاد میکند و آن این است که در طراحی ابزار الکترونیکی جریانهای گردابی را با تنظیم جهت گرادیان دما و میدان الکتریکی به حداقل برسانیم. در واقع درک بهتری از ارتباط بین دما، جریان و میدانهای الکترومغناطیسی، به مهندسین در بهبود طراحی ابزار الکترونیکی در آینده کمک خواهد کرد.