理論研究證明鐵電鈣鈦礦存在巨大的光熱效應

固態冷卻是一種很有前途的替代冷卻技術，它不像傳統冷凍系統那樣依賴氣體或液體的使用，而是利用固體材料的特性來冷卻。這種替代冷卻方法具有很高的能源效率，並且可以幫助冷藏物品而不會將溫室氣體釋放到空氣中。

儘管傳統的熱量效應具有潛力，但人們發現它們很難在現實世界的冷凍設備中有效實現。這是因為它們僅在狹窄的溫度範圍內相當大，並且具有限制最終冷卻系統的可能性的特定要求。

巴塞隆納材料科學研究所和加泰隆尼亞理工大學的研究人員最近提出了一個可能的解決方案，用於克服現有固態冷卻系統的限制。他們的論文，發表在物理評論快報，從理論上證明，一些鐵電鈣鈦礦可以表現出巨大的光熱（PC）效應，這種效應在比傳統熱效應更廣泛的溫度範圍內持續存在。

「我們的靈感來自兩個不同的來源，」論文的合著者 Claudio Cazorla 告訴 Phys.org。 「一方面，我們意識到誘導的可能性透過對鐵電體進行光照，並已經探索了這個想法以提出新的熱開關機制。另一方面，我們對固態冷卻和熱量材料感興趣，這些材料有望取代目前基於對環境有害氣體的壓縮/減壓循環的冷卻技術。

通常用於實現固態冷卻的熱量材料在外場下會經歷相變。這些轉變改變了這些材料的熵，可以用來誘導冷卻和熱泵。

出於對鐵電和熱材料的興趣，卡索拉和他的同事開始探索鐵電材料中可能存在的 PC 效應，基本上可以透過以下方式實現固態冷卻：。他們最近研究的主要目標是從理論上來表徵這些 PC 效應，並確定它們是否對冷凍系統的發展具有實際意義。

論文的合著者 Riccardo Rurali 告訴 Phys.org：“雖然用光誘導鐵電體發生相變的想法已經存在了一段時間，但我在 2021 年的一次研討會上偶然遇到了這個想法。”

「它立即引起了我的注意，因為我認為它可以用於設計熱開關（我的主要'研究業務'），透過光吸收，人們可以在高導熱率和低導熱率狀態之間來回切換，幸運的是，克勞迪奧卡索拉意識到，同樣的光誘導相變伴隨著熵的巨大變化，因此它可以用來設計極其高效的PC 循環，這在很大程度上優於我們之前提出的熱開關。

與其他熱效應（例如磁熱效應、電熱效應和機械熱效應）相比，PC 效應具有多種優勢。最值得注意的是，PC 效應相當大，並且可以在更寬的溫度範圍內利用。

事實上，該團隊論文中概述的影響已被理論上證明在 100K 量級的廣闊溫度區間內仍然很大。相較之下，傳統的熱量效應僅在 10K 數量級的狹窄溫度區間內有效。

卡索拉解釋說：“光誘導PC效應發揮作用的條件是系統從鐵電態轉變為順電態，也就是說，它在吸收光後失去自發電極化。” “因此，可以觀察到 PC 效應的溫度區間與鐵電材料的溫度範圍相匹配，可能達到數百開氏度。”

在他們的論文中，Cazorla、Rurali 和他們的同事預測了一些鐵電材料中存在 PC 效應。值得注意的是，假設這些效應僅發生在少數極性材料中，包括典型的鐵電體 BaTiO₃和鈮酸鉀₃。

「PC效應的觸發場是光的吸收，這一事實意味著不需要在鐵電材料的表面沉積電極，」卡索拉說。 “這可以大大簡化相應實際裝置的設計和製造。此外，PC 效應非常適合小型化，因為可以通過激光器實現必要的光源。”

最近這篇論文中從理論上證明的 PC 效應很快就會進一步檢驗和實驗探索。 Cazorla、Rurali 和他們的同事認為，這些效應特別適合微觀尺度的冷卻應用，例如中央處理單元 (CPU) 和其他電路組件的冷卻。

此外，由於假設這些效應在從室溫到絕對零度的廣闊溫度區間內持續存在，因此也可以利用它們來實現低溫冷卻（即降至超低溫）。反過來，低溫冷卻對於量子技術的實現可能非常有價值。

卡索拉表示：「目前，我們正在探索除鐵電體之外的其他材料系列，這些材料也可能表現出光致相變，具有固態冷卻應用的潛力。此外，我們正在考慮維度在帶來PC 效應方面的作用。” 進入實際應用（例如，二維材料和薄膜）。”

卡索拉、魯拉利和他們的同事現在正在進行進一步的研究，旨在進一步評估他們理論中的 PC 效應的潛力，同時也考慮在現實世界應用中利用它們的潛在策略。他們的研究可以激勵其他團隊也探索這些影響及其改善固態的潛力。

「我們意識到光生電荷可以抑制與晶格結構耦合的其他電荷有序態，」Rurali 補充道。 “目前，我們正在研究具有電荷密度波（CDW）特徵的二維材料。它們特別有前途，因為由於它們的維度，它們似乎更適合有效吸收光。”

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