科学家揭示电子相变的汤姆逊效应，推动高效热电冷却技术的突破！

【研究背景】

随着对热电材料研究的不断深入，热电冷却技术在现代电子设备中的应用引起了广泛关注。热电冷却器利用佩尔帖效应在材料接合处实现热量转移，具备无噪音、无振动和无排放的特点，因此在制冷和温控领域显示出良好的应用前景。然而，尽管已有的研究表明提高热电优值 ZT 是增强热电冷却器性能的关键，但在低温条件下，特别是 T < 50 K 时，实现 ΔT > 3 K 的冷却效果仍然是一大挑战。

汤姆逊效应是指出在材料内部存在热电冷却效应，除了佩尔帖效应外，这种冷却能力与电荷载流子的熵变化有关。然而，在传统热电材料中，汤姆逊效应通常可忽略（ΔT/T < 2%），因为这些材料中电荷载流子的熵变化相对较小。这使得汤姆逊效应的实际应用受到限制，尚无高效汤姆逊冷却器的实验示范。因此，如何利用汤姆逊效应提升热电冷却性能成为科学家们亟待解决的问题。

为此，研究者们开始探索通过相变来增强汤姆逊效应。在文献中，有学者提出通过诱导晶格或磁性相变来实现对塞贝克系数的快速变化，以期获得显著的熵变化。然而，这些方法往往只能影响原子或磁性熵，且通常导致性能的不稳定性和机械完整性问题。

为了解决这一问题，同济大学材料科学与工程学院裴艳中教授团队携手在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Demonstration of efficient Thomson cooler by electronic phase transition”的最新论文。本研究聚焦于 YbInCu4 材料，通过诱导电子相变，直接操控电荷载流子的熵，从而显著提升温度归一化汤姆逊系数（τ/T = dα/dT），实现高达 10 μV K^–2 的变化。我们成功展示了该材料在约 38 K 时实现超过 5 K 的稳定温差（ΔT），这对应的 ΔT/Thot 值约为 15%。与传统的佩尔帖冷却器相比，这一结果表明汤姆逊效应在低温热电冷却中具有巨大的潜力，提供了一种新途径来提升热电冷却器的性能，并为固态低温冷却应用开辟了新的可能性。通过这种方式，本研究不仅解决了传统热电冷却器在低温下性能提升的难题，也为未来的热电材料设计和应用提供了新的思路和方向。

【图文解读】

（1）实验首次利用汤姆逊效应增强热电冷却，成功实现了在 YbInCu4 中的电子相变，获得了超过 5 K 的稳定温差（ΔT）从约 38 K 开始。这一发现突破了传统热电材料在低温下冷却能力的限制。

（2）实验通过直接操控电荷载流子的熵变化，诱导了材料中显著的汤姆逊系数（τ），达到 10 μV K^–2。这一变化使得 YbInCu4 在冷却性能上显著优于目前最佳的佩尔帖冷却器，表现出约 15% 的 ΔT/Thot 值。

（3）研究表明，与传统热电材料相比，YbInCu4 的电子相变提供了直接的电子熵操控，从而提升了热电冷却的潜力。此外，该研究为开发高效的固态低温冷却应用提供了新思路。

图1：汤姆逊效应增强热电冷却。

图2：电子相变。 

图3：YbInCu4 的输运特性。

图4：冷却性能。

【科学启迪】

本文揭示了YbInCu4材料在热电冷却领域的潜力，尤其是其由于电子相变而显著增强的汤姆逊效应。这一发现不仅提供了对传统热电材料性能提升的新思路，还展示了利用电子相变来开发高效冷却器的可能性。通过优化材料成分和制造工艺，研究者们实现了比现有佩尔帖冷却器更高的冷却能力，表明在更高温度下的制冷应用具有广泛前景。此项研究为热电技术的进步奠定了基础，并鼓励未来对具有强电子相互作用的材料进行深入探索，以推动新型高效冷却器的开发。总之，YbInCu4的成功应用展示了材料科学与热电技术结合的巨大潜力，为实现更高效、可持续的热管理方案提供了新的方向，未来可以应用于电子设备、汽车和环境调控等领域，具有重要的科学和实际意义。

原文详情：Chen, Z., Zhang, X., Zhang, S. et al. Demonstration of efficient Thomson cooler by electronic phase transition. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02039-z" target="_blank">https://doi.org/10.1038/s41563-024-02039-z