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，而是利用固体材料的特性进行制冷。这种替代冷却方法可以非常节能，并且有助于在不向空气中排放温室气体的情况下制冷。

尽管传统热效应潜力巨大，但人们发现，它们很难在现实世界的制冷设备中有效实现。这是因为它们仅在很窄的温度范围内有效，并且有特定的要求，限制了最终冷却系统的可能性。

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，以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》上，从理论上证明了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宽的温度范围内持续存在。

“我们的灵感来自两个不同的来源，”论文合著者ClaudioCazorla告诉Phys.org。“一方面，我们意识到通过照射铁电体来诱导相变的可能性，并且已经探索了这个想法，以提出新的热开关机制。另一方面，我们对固态冷却和热材料很感兴趣，它们有望取代目前基于对环境有害的气体压缩/减压循环的制冷技术。”

通常用于实现固态冷却的热材料在外部场作用下会发生相变。这些相变会改变这些材料的熵，并可利用这些相变来诱导制冷和热泵。

Cazorla和他的同事对铁电材料和热材料有着浓厚的兴趣，他们开始探索铁电材料中可能存在的PC效应，这将使通过光照射实现固态冷却成为可能。他们最近研究的主要目标是从理论上描述这些PC效应，并确定它们是否对制冷系统的开发具有实际意义。

该论文的共同作者里卡多·鲁拉利(RiccardoRurali)告诉Phys.org：“尽管利用光在铁电体中诱导相变的想法已经存在了一段时间，但我是在2021年的一次研讨会上偶然遇到它的。”

“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转换，幸运的是，ClaudioCazorla意识到同样的光诱导相变伴随着巨大的熵变化，因此它可以用于设计一个极其高效的PC循环，其性能大大优于我们之前提出的热开关。”

PC效应可能比其他热效应(如磁热效应、电热效应和机械热效应)具有多种优势。最值得注意的是，PC效应规模巨大，可在更宽的温度范围内加以利用。

事实上，该团队论文中概述的效应已从理论上证明在100K量级的较大温度区间内仍保持较大。相比之下，传统的热效应仅在10K量级的较窄温度区间内有效。

“光诱导PC效应发挥作用的条件是系统从铁电状态转变为顺电状态，也就是说，在吸收光后，系统会失去自发电极化，”Cazorla解释道。“因此，可以观察到PC效应的温度区间与材料为铁电体的温度范围相匹配，该温度范围可能高达几百开尔文。”

Cazorla、Rurali及其同事在论文中预测了某些铁电材料中存在PC效应。值得注意的是，这些效应据推测仅发生在少数极性材料中，包括典型的铁电体BaTiO3和KNbO3。

“光子晶体效应的触发场是光的吸收，这意味着无需在铁电材料表面沉积电极，”Cazorla说道。“这可能会大大简化相应实用装置的设计和制造。此外，光子晶体效应非常适合小型化，因为所需的光源可以用激光实现。”

这篇最新论文从理论上展示的PC效应可能很快就会得到进一步检验和实验探索。Cazorla、Rurali及其同事认为，这些效应特别适合微尺度的冷却应用，例如中央处理器(CPU)和其他电路元件的制冷。

此外，由于这些效应被认为会在从室温到绝对零度的广阔温度区间内持续存在，因此它们也可用于实现低温冷却(即降至超低温)。反过来，低温冷却对于实现量子技术可能具有很高的价值。

“目前，我们正在探索除铁电体之外的其他材料，这些材料也可能表现出光诱导相变，具有固态冷却应用的潜力，”Cazorla说道。“此外，我们正在考虑维度在将PC效应带入实际应用(例如二维材料和薄膜)中的作用。”

Cazorla、Rurali及其同事目前正在进行进一步研究，旨在进一步评估他们理论化的PC效应的潜力，同时也考虑在实际应用中利用它们的潜在策略。他们的研究可能会启发其他团队也探索这些效应及其改善固态冷却的潜力。

“我们意识到光诱导电荷可以抑制与晶格结构耦合的其他电荷有序状态，”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。它们特别有前景，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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