Hay efectos físicos que se predicen con lápiz y papel, se enseñan en manuales, y sin embargo nadie los ha visto en acción. El llamado efecto Thomson transversal es uno de ellos. Hasta ahora, no pasaba de ser una predicción teórica: un fenómeno que debía existir, pero que jamás se había medido. Su peculiaridad es que combina tres ingredientes muy concretos —corriente eléctrica, calor y campo magnético— que deben orientarse de forma perpendicular entre sí. El problema es que, cuando se intentaba observarlo, otros efectos térmicos más intensos y conocidos se solapaban, enmascarando cualquier resultado. Un capítulo nuevo para la historia de la electricidad.
Ese enigma sin resolver fue finalmente abordado por un equipo japonés liderado por Atsushi Takahagi y Ken-ichi Uchida. El artículo, publicado en Nature Physics, presenta la primera observación experimental directa del efecto Thomson transversal. Para lograrlo, los investigadores desarrollaron un método de imagen térmica de alta sensibilidad y realizaron medidas cuidadosamente diseñadas con un material conocido por sus propiedades térmicas singulares: una aleación de bismuto y antimonio. Esta no es solo una historia sobre calor y electricidad. Es también un ejemplo de cómo la ciencia puede recuperar viejas hipótesis y, con nuevas herramientas, convertirlas en observaciones reales.
Una predicción que llevaba más de siglo y medio esperando confirmación
En 1856, el físico William Thomson —más conocido como Lord Kelvin— describió lo que hoy llamamos efecto Thomson: un fenómeno por el cual un conductor sometido simultáneamente a una corriente eléctrica y un gradiente de temperatura puede calentarse o enfriarse de forma distribuida en su volumen. Este efecto, a diferencia del efecto Peltier (que actúa en los bordes de un material), se manifiesta dentro del propio cuerpo del conductor, lo que lo convierte en una herramienta muy útil para entender cómo se transporta el calor.
Décadas después, otros efectos termoeléctricos transversales, como el efecto Nernst y el efecto Ettingshausen, se unieron al catálogo. Sin embargo, una versión “cruzada” del efecto Thomson seguía sin demostrarse: una versión que aparece cuando corriente, calor y campo magnético se orientan en ángulos rectos entre sí. Durante más de 150 años, esta predicción fue esquiva, en parte porque su señal térmica es muy sutil y queda fácilmente oculta entre fenómenos más intensos.
El reto de aislar una señal escondida entre otras más ruidosas
Para detectar el efecto, los investigadores necesitaban eliminar interferencias térmicas. El mayor problema era que los efectos Ettingshausen y Peltier, también presentes en las mismas condiciones, tienden a generar señales térmicas similares que se superponen. Por eso, el equipo propuso una solución basada en imágenes térmicas sincronizadas con la corriente eléctrica, un método llamado lock-in thermography.
El procedimiento se diseñó para que la única diferencia entre dos mediciones fuera la existencia de un gradiente térmico. Primero, aplicaron corriente eléctrica y campo magnético a la muestra sin crear diferencia de temperatura; después repitieron el experimento generando dicho gradiente. Al restar las imágenes térmicas obtenidas en ambas condiciones, lograron aislar el patrón asociado al efecto Thomson transversal, eliminando las señales de fondo de otros efectos. Esta estrategia fue esencial para observar un fenómeno cuya existencia se había postulado pero jamás medido directamente.
Un material clave: la aleación Bi₈₈Sb₁₂ y su comportamiento especial
No todos los materiales sirven para este tipo de experimentos. Para maximizar la probabilidad de detectar el efecto, se necesitaba una sustancia que tuviera un coeficiente de Nernst grande y sensible a la temperatura. Por eso eligieron una aleación compuesta por un 88 % de bismuto y un 12 % de antimonio. Este material tiene la propiedad de responder con fuerza a la aplicación de campos magnéticos cuando se le aplica un gradiente térmico, lo que lo convierte en uno de los candidatos más eficaces para observar el fenómeno buscado.
Los investigadores explican en el artículo que "la magnitud de la fuente térmica responsable del efecto Thomson transversal está determinada tanto por la derivada respecto a la temperatura del coeficiente de Nernst como por el propio coeficiente de Nernst". Esta combinación es crucial: en el efecto Thomson longitudinal, solo importa la variación del coeficiente Seebeck con la temperatura. En cambio, el efecto transversal depende de dos factores a la vez, lo que lo hace más complejo, pero también más interesante para aplicaciones.
Calor que se invierte con un giro del campo magnético
Uno de los hallazgos más llamativos fue descubrir que el efecto no solo existe, sino que puede invertir su signo. En otras palabras, el mismo material puede calentarse o enfriarse dependiendo de hacia dónde apunta el campo magnético. Según los autores, "el cambio de temperatura inducido por el efecto Thomson transversal invierte su signo al invertir el campo magnético aplicado".
Este comportamiento fue confirmado tanto experimentalmente como por simulaciones numéricas, y tiene implicaciones muy prácticas: permitiría diseñar dispositivos de gestión térmica en los que se pueda conmutar entre calor y frío sin cambiar la geometría ni los materiales, solo reorientando un campo magnético. La posibilidad de controlar la temperatura de forma tan precisa y reversible abre la puerta a nuevas formas de refrigeración o almacenamiento térmico.
Aplicaciones futuras: más allá del laboratorio
Aunque este descubrimiento es todavía experimental, su impacto potencial es notable. Los efectos termoeléctricos son claves en aplicaciones como la refrigeración sin compresores, la conversión de calor residual en electricidad o el control térmico de microdispositivos electrónicos. El Thomson transversal, al producir calor o frío en el volumen del material, sin necesidad de interfaces ni uniones, representa una alternativa atractiva a los métodos actuales.
Sin embargo, no todo son ventajas inmediatas. En el material utilizado (Bi₈₈Sb₁₂), las dos componentes del efecto —la derivada térmica y el coeficiente directo— tienden a anularse parcialmente entre sí, lo que limita la magnitud total del fenómeno. Como indican los autores, "identificar nuevos materiales en los que ambas componentes se refuercen mutuamente podría llevar al descubrimiento de materiales de alto rendimiento". Esto marca una línea clara para la investigación futura: buscar composiciones o estructuras que permitan potenciar el efecto sin cancelaciones internas.
Una pieza que faltaba en el puzle de la termolectricidad
Este experimento no solo añade un nuevo elemento al catálogo de fenómenos térmicos. También completa un vacío histórico en la teoría de los efectos termoeléctricos. Durante más de un siglo, se conocían sus primos longitudinales y otros efectos transversales, pero faltaba una observación directa del Thomson transversal. Como explican los autores, “la observación del efecto Thomson transversal llena una pieza que faltaba en la historia de la termolectricidad”.
Lo interesante es que este hallazgo se logró sin usar materiales magnéticos, lo que deja abierta la posibilidad de encontrar una variante aún más potente —el llamado “efecto Thomson transversal anómalo”— en materiales con magnetización espontánea. Si se confirma su existencia, podríamos estar ante una nueva clase de tecnologías térmicas que no requieren campos externos para funcionar. Y todo ello, a partir de un fenómeno predicho cuando aún no existía la electricidad como la conocemos hoy.
Referencias
- Atsushi Takahagi, Takamasa Hirai, Abdulkareem Alasli, Sang Jun Park, Hosei Nagano, Ken-ichi Uchida. Observation of transverse Thomson effect. Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02936-3.
