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研究背景

热电材料是一种能够直接将热能转化为电能，或反之进行制冷的材料，广泛应用于能源回收、制冷和温度调节等领域。与传统的热电材料相比，近年来开发的新型材料如 YbInCu₄ 具备更高的热电性能，例如更大的塞贝克系数和优异的热电优值（ZT）。然而，传统热电材料通常存在汤姆逊效应较小的问题，使得其在低温下的冷却效果受到限制，这给热电冷却器的高效应用带来了挑战。

成果简介

为了解决这一问题，同济大学裴艳中教授等人在Nature Materials期刊上发表了题为“Demonstration of efficient Thomson cooler by electronic phase transition”的最新论文。该团队设计并制备了一种新型的热电冷却器，利用该材料中的电子相变，显著提高了汤姆逊效应的性能，实现了超过 5 K 的稳定温差（ΔT）在约 38 K 的环境温度下。这一研究通过直接操控电荷载流子的熵变化，充分利用了材料内部的热电效应，克服了传统热电材料在低温下的性能不足。研究表明，YbInCu₄ 的温度归一化汤姆逊系数（τ/T）高达 10 μV K^–2，显著提升了冷却能力，成功获得了较大 ΔT/Thot 值（约 15%），这与传统佩尔帖冷却器相当。

这项研究不仅为热电冷却技术的提升提供了新的思路，也为低温固态冷却应用的拓展奠定了基础，展示了新型热电材料在未来应用中的巨大潜力。

研究亮点

（1）实验首次利用汤姆逊效应，通过在 YbInCu₄ 中诱导电子相变，实现了增强的热电冷却效果，获得了超过 5 K 的稳定温差（ΔT）在约 38 K 的环境温度下。

（2）实验通过直接操控电荷载流子的熵，显著提高了温度归一化汤姆逊系数（τ/T = dα/dT）至 10 μV K^–2。这一进展表明，材料的相变可以有效提升汤姆逊效应的贡献，为传统热电冷却器提供了一种新的优化路径。

（3）结果显示，该装置的 ΔT/Thot 值约为 15%，与传统佩尔帖冷却器的 20% 相当，并且在低温环境下的性能显著优于当前最佳的 Bi1–xSbx 合金冷却器。

图文解读

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。

结论展望

本文揭示了YbInCu₄在热电冷却领域的重要性，尤其是其通过电子相变引发的强汤姆逊效应。这一发现不仅提高了冷却性能，还展示了材料设计在实现高效热电器件中的潜力。

与传统热电材料相比，YbInCu₄在电子相变过程中表现出的显著汤姆逊系数（约10 μV K^–2）为热电冷却技术的创新提供了新的思路。研究表明，利用具有强电子相互作用的材料，可以在更高温度范围内实现有效的冷却，从而拓展了热电材料的应用前景。这一成果为开发新型高效冷却器和推动热电技术的进步提供了有力的理论支持和实验基础。

此外，本文强调了基础研究与应用开发之间的紧密联系，鼓励科学家们探索其他可能具有相似特性的材料，以实现更广泛的热电应用，最终推动可持续冷却技术的发展。这些启示不仅对热电材料的研究具有指导意义，也为新一代能源技术的创新奠定了基础。

文献信息

Chen, Z., Zhang, X., Zhang, S. et al. Demonstration of efficient Thomson cooler by electronic phase transition. Nat. Mater. (2024).

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