在热力学循环中，利用工作介质的熵变，热机和热泵能够实现热能与其他类型能量之间的转换。对于传统热机，触发工作介质的相变（如He和氟利昂的气液转变）有助于提升热机效率。热电能量转换技术本质上也是热机的一种，它使用材料内部的电荷载流子作为工作介质，实现了无振动、无排放的固态发电或制冷技术。因此，直接调控电荷载流子的熵变，对研发高性能热电发电与制冷系统至关重要。
10月29日，同济大学材料科学与工程学院裴艳中教授团队在国际权威学术期刊《自然·材料》（Nature Materials）上在线发表了题为“Demonstration of efficient Thomson cooler by electronic phase transition”的研究成果，为固态低温制冷应用开辟了新的可能性。
传统的热电制冷器件主要基于Peltier效应，该效应描述的电子熵变及其引起的制冷效应发生在热电材料与电极材料的接点处。热电制冷效应也可以发生在热电材料的内部，即19世纪50年代由威廉·汤姆森提出的Thomson效应，然而该效应一直鲜为热电领域广泛研究。这主要是因为电子在传统热电材料内部中的熵变往往非常小，Thomson效应通常被认为可以忽略不计。因此，热电制冷的指导原则一直基于Peltier效应，即通过最大化热电优值ZT以优化制冷效果。
在这项研究中，研究团队成功开发了一种基于YbInCu4新型热电材料的高效Thomson制冷器。利用强关联体系中电子态的相变，该研究直接调控了YbInCu4中电子的熵变，从而在38 K的深低温区实现了巨大的Thomson系数，实现了超过5K的稳定制冷温差。研究结果表明，这种新型Thomson制冷器的相对温差，即制冷温差与环境温度的比例达到了15%，与常规Peltier制冷器的20%相当，且在低温下的性能超过了目前最佳性能的BiSb合金。这一突破性成果也为热电制冷技术提供了除了提高ZT值之外的性能提升新途径。
同济大学为论文的唯一完成单位，裴艳中教授为论文的唯一通讯作者，陈志炜副教授为第一作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、上海市科委启明星项目、上海市教委重大项目的资助。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-02039-z
