理论研究证明铁电钙钛矿存在巨大的光热效应

固态冷却是一种很有前途的替代冷却技术，它不像传统制冷系统那样依赖气体或液体的使用，而是利用固体材料的特性来制冷。这种替代冷却方法具有很高的能源效率，并且可以帮助冷藏物品而不会将温室气体释放到空气中。

尽管传统的热量效应具有潜力，但人们发现它们很难在现实世界的制冷设备中有效实现。这是因为它们仅在狭窄的温度范围内相当大，并且具有限制最终冷却系统的可能性的特定要求。

巴塞罗那材料科学研究所和加泰罗尼亚理工大学的研究人员最近提出了一种可能的解决方案，用于克服现有固态冷却系统的局限性。他们的论文，发表在物理评论快报，从理论上证明，一些铁电钙钛矿可以表现出巨大的光热（PC）效应，这种效应在比传统热效应更广泛的温度范围内持续存在。

“我们的灵感来自两个不同的来源，”该论文的合著者克劳迪奥·卡索拉 (Claudio Cazorla) 告诉 Phys.org。 “一方面，我们意识到诱导的可能性通过对铁电体进行光照，并已经探索了这一想法以提出新的热开关机制。另一方面，我们对固态冷却和热量材料感兴趣，这些材料有望取代当前基于对环境有害气体的压缩/减压循环的制冷技术。”

通常用于实现固态冷却的热量材料在外部场下经历相变。这些转变改变了这些材料的熵，可以用来诱导制冷和热泵。

出于对铁电和热材料的兴趣，卡索拉和他的同事开始探索铁电材料中可能存在的 PC 效应，这基本上可以通过以下方式实现固态冷却：。他们最近研究的主要目标是从理论上表征这些 PC 效应，并确定它们是否对制冷系统的开发具有实际意义。

该论文的合著者 Riccardo Rurali 告诉 Phys.org：“虽然用光诱导铁电体发生相变的想法已经存在了一段时间，但我在 2021 年的一次研讨会上偶然遇到了这个想法。”

“它立即引起了我的注意，因为我认为它可以用于设计热开关（我的主要‘研究业务’），通过光吸收，人们可以在高导热率和低导热率状态之间来回切换，幸运的是，克劳迪奥卡索拉意识到，同样的光诱导相变伴随着熵的巨大变化，因此它可以用来设计极其高效的 PC 循环，这在很大程度上优于我们之前提出的热开关。”

与其他热效应（例如磁热效应、电热效应和机械热效应）相比，PC 效应具有多种优势。最值得注意的是，PC 效应相当大，并且可以在更宽的温度范围内利用。

事实上，该团队论文中概述的影响已被理论上证明在 100K 量级的广阔温度区间内仍然很大。相比之下，传统的热量效应仅在 10K 数量级的狭窄温度区间内有效。

卡索拉解释说：“光诱导PC效应发挥作用的条件是系统从铁电态转变为顺电态，也就是说，它在吸收光后失去自发电极化。” “因此，可以观察到 PC 效应的温度区间与铁电材料的温度范围相匹配，可能达到数百开氏度。”

在他们的论文中，Cazorla、Rurali 和他们的同事预测了一些铁电材料中存在 PC 效应。值得注意的是，假设这些效应仅发生在少数极性材料中，包括典型的铁电体 BaTiO₃和铌酸钾₃。

“PC效应的触发场是光的吸收，这一事实意味着不需要在铁电材料的表面沉积电极，”卡索拉说。 “这可以大大简化相应实际装置的设计和制造。此外，PC 效应非常适合小型化，因为可以通过激光器实现必要的光源。”

最近这篇论文中从理论上证明的 PC 效应很快就会得到进一步检验和实验探索。 Cazorla、Rurali 和他们的同事认为，这些效应特别适合微观尺度的冷却应用，例如中央处理单元 (CPU) 和其他电路组件的制冷。

此外，由于假设这些效应在从室温到绝对零的广阔温度区间内持续存在，因此也可以利用它们来实现低温冷却（即降至超低温）。反过来，低温冷却对于量子技术的实现可能非常有价值。

卡索拉表示：“目前，我们正在探索除铁电体之外的其他材料系列，这些材料也可能表现出光致相变，具有固态冷却应用的潜力。此外，我们正在考虑维度在带来 PC 效应方面的作用。”进入实际应用（例如，二维材料和薄膜）。”

卡索拉、鲁拉利和他们的同事现在正在进行进一步的研究，旨在进一步评估他们理论中的 PC 效应的潜力，同时也考虑在现实世界应用中利用它们的潜在策略。他们的研究可以激励其他团队也探索这些影响及其改善固态的潜力。

“我们意识到光生电荷可以抑制与晶格结构耦合的其他电荷有序态，”Rurali 补充道。 “目前，我们正在研究具有电荷密度波（CDW）特征的二维材料。它们特别有前途，因为由于它们的维度，它们似乎更适合有效吸收光。”

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