Nature Materials！无液氦低温系统助力YbInCu₄汤姆逊效应低温测量研究
发布日期：2026-02-06
引言
汤姆逊效应作为热电制冷领域的重要研究方向，其在低温环境下的特性探索对固态制冷技术发展具有关键意义。Quantum Design Oxford的TeslatronPT 无液氦超导磁体低温系统，凭借结构紧凑、无液氦依赖、温度范围< 1.5 K ~ 300 K、高稳定性等核心优势，成功支撑同济大学团队完成 YbInCu₄材料中汤姆逊效应的精准测量。实验借助该系统实现电子相变直接调控电荷熵，最终在 38 K 环境下实现了超过 5 K 的温差，为突破传统珀耳帖效应制冷局限提供了全新技术路径。本工作已发表于 《Nature Materials》 (https://doi.org/10.1038/s41563-024-02039-z)。
研究背景
现代热电研究主要集中在改进冷却技术，特别是针对低温和固态制冷应用。传统的热电制冷器通常依赖于珀耳帖效应和品质因数（ZT），在低温场景下难以兼顾大温差、高效率与高稳定性。由于品质因数也取决于绝对温度，提高 Z 值对于低温应用至关重要。尽管威廉·汤姆逊（开尔文勋爵）预言了体材料内的冷却效应（不同于基于珀耳帖效应的界面效应），但热电制冷的汤姆逊器件仍未被充分探索。
传统的热电材料由于近自由电子的电荷熵变化很小，仅表现出有限的汤姆逊系数和制冷性能。为了改善汤姆逊效应，作者探索了基于电子相变的系统，其中显著的熵变化可以增强冷却。作者利用载流子的相变来增加电子熵变，从而提高汤姆逊系数和整体制冷能力。这一策略可以显著拓宽热电制冷器可实现的温差，并为推进固态制冷技术提供新的方向。
实验方法
本实验中，所有输运性质均在同一块样品上测量，样品安装于低温恒温器的样品台上，温度范围为 4 至 300 K，磁场强度为 2 T。为确保稳定的热接触并减少温度波动，样品和热端热电偶使用绝缘环氧树脂附着在铜制散热器上。为保持较大的制冷能力并抵消温度变化，散热器的铜块通过弹簧片连接到低温恒温器腔壁。优化了散热器温度控制的比例-积分-微分（PID）参数以稳定热端温度。
图 1 该课题组采用的无液氦超导磁体低温系统-TeslatronPT。
电压、电流和温度使用铜引线以及附着在样品上的 T 型或 E 型热电偶（直径 30 μm）进行测量。等温电阻率和载流子浓度分别在 0.7 atm 压力的氦交换气气氛下，使用线性四探针法和直流范德堡法测量。塞贝克系数的测量通过确定热电势作为温差（0.3-3 K）的函数来实现，该温差是通过向附着在样品上的薄膜电阻器施加不同电流来产生的。
图 2 样品。
实验结果
在这项工作中，作者展示了利用汤姆逊效应直接调控载流子的熵推进 YbInCu4 热电制冷的构想。与晶格/磁相变不同，这种类型的相变直接调控了载流子（工作介质）的熵，导致 τ/T=dα/dT 显著增加，最高达 10 μV/K2，并最终在器件中实现了约 38 K 环境下>5 K的稳态温差（图3a-b）。这对应的相对温差 DT/Thot 约为15%，可与传统珀耳帖制冷器的20%（在 Thot=300 K 下 DT=60 K）相比。这项工作阐述了除提高 ZT 值之外推进热电制冷器性能的新途径，并展示了将固态热电制冷应用扩展到低温的巨大潜力。
与其他类型的相变相比，大汤姆逊效应可以最有效地通过电子相变实现，这在约 40 K 时在某些的材料中观察到。在低温下，与传统的珀耳帖制冷器（例如基于Bi1-xSbx合金的制冷器）相比，这种新型热电制冷器表现出显著更优的性能，如图 3c 所示。这突显了其利用汤姆逊效应进行电子冷却的广阔潜力。
许多热电研究主要集中于提高 ZT 值以改进器件效率，该工作引入了一种新颖方法，利用独特的电子相变和汤姆逊效应来增强热电制冷器性能。这项研究也强调了固态热电制冷在低温应用中的巨大潜力。
图 3典型的温度分布图（a）以及 器件1的温差（ΔT），塞贝克系数和热端温度关系图（b），基于 YbInCu4- 和 Bi0.85Sb0.15- 的制冷器在不同热端温度下温差ΔT与电流依赖关系图（c）。
结论
在这项工作中，作者展示了 YbInCu4中因电子相变导致的汤姆逊效应的显著增强，揭示了温度归一化的汤姆逊系数（τ/T）约为 10 μV/K2，而传统值 τ/T < 2 μV/K2。这种强汤姆逊效应，结合界面的珀耳帖效应，使实现了约 38 K 环境下>5 K的稳态温差，有效地使最先进珀耳帖制冷器的冷却能力翻倍。
这项研究为推进热电技术提出了新的方向，并突出了低温热电制冷的巨大潜力。这些发现为热电低温冷却的研究和应用开辟了未来的机遇，使得开发适用于低温环境的更高效冷却系统成为可能。除了所研究的材料外，其他在室温或以下具有强电子相互作用和相变的材料也可能具有实现类似进展的潜力。
参考文献
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关于实验室
同济大学材料科学与工程学院的热电研究组，长期深耕热电现象的基础物理、化学及材料科学研究，拥有近二十年领域经验与广泛国际合作网络。团队致力于推动热电技术在废热发电与新型珀耳帖制冷领域的商业化应用，以温度梯度的广泛存在为切入点，探索热电技术在清洁环保领域的应用潜力。
