Nature Materials！无液氦低温系统助力YbInCu₄汤姆逊效应低温测量研究

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。

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。

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/T_hot 约为15%，可与传统珀耳帖制冷器的20%（在 T_hot=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-xSb_x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 Bi_0.85Sb_0.15^- 的制冷器在不同热端温度下温差ΔT与电流依赖关系图（c）。

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