一个多世纪后，物理学家的目标是推翻冰箱这一久经考验的技术，因为冷却可以变得更加节能。2023年的夏天是全球有记录以来最热的夏天。毁灭性的山火在许多地方肆虐，人们因高温记录而遭受苦难。在一个逐渐变暖的世界中，对制冷的需求也在增加，而制冷会消耗能源。很多能量。

波鸿鲁尔大学的物理学家DanielHägele教授表示：“一般来说，产生寒冷比产生热量更困难。”当今冰箱使用的压缩机技术是一个多世纪前发明的。研究人员指出：“虽然多年来该技术一直在不断优化，但最近能效等级的改进主要涉及诸如门上密封更严等调整。”

完全可以想象引入与目前使用的技术完全不同的制冷技术。由凝聚态光谱工作组的DanielHägele领导的团队正在研究所谓的热量效应：一些固体材料在拉伸或受到电场或磁场作用时会改变温度。

固体在电场中产生冷

Hägele的团队多年来一直在研究热量效应。最初，研究人员利用磁场使固体产生冷。然而，这需要类似于MRI机器的场强，因此无法在冰箱或空调中实现。

这就是哈格勒和他的同事JörgRudolph和JanFischer现在致力于电场研究的原因。“我们基本上可以使用插座供电，”费舍尔说。“出于实验目的，我们将电压放大到几千伏。”

这是因为波鸿团队对特效感兴趣。研究人员测量不同材料对外部电场的反应，例如温度的变化。首先也是最重要的是，他们对时间分辨效应感兴趣，即当外部电场变化时温度降低或升高的速度。

“我们可以在千分之一秒内检测到千分之一度的变化——没有人能做到这么快，”费舍尔在描述波鸿方法如此独特的原因时说道。

快速获得回报

乍一看，该团体对这些微小的变化感兴趣，这似乎很矛盾。“我们实际上正在寻找具有最大可能温度影响的材料，”哈格勒承认。“但有时你必须从小事做起。”时间尺度上的微小变化向研究人员揭示了导致固体温度变化的基本过程。此外，能够快速改变温度的材料对于应用尤其重要。

“在热量冷却过程中，热量以数据包的形式被带走，”约尔格·鲁道夫(JörgRudolph)解释道。“为了提高这一过程的效率，最好的方法是快速地一个接一个地移除热包。”

最后但并非最不重要的一点是，快速测量还可以提供材料特性的完整视图。这是因为加热和冷却样品随着时间的推移与周围环境交换热量，例如与安装它们的基板。如果研究人员测量温度非常快，就没有时间进行热传递，他们就可以测量纯热量效应。

但波鸿技术究竟为何如此之快呢?“测量温度——乍一听可能很简单，”JörgRudolph说。“然而，准确测量微小的温度变化是一个极其复杂的过程。你不能简单地将温度计放在样品上。”首先，样本太小，厚度不到一毫米。其次，样品和温度计之间会发生热交换，这会导致测量结果失真。

红外探测器作为温度计

这就是为什么DanielHägele几年前专门为这些类型的测量设计了一个实验装置，他的团队现在已经对其进行了优化。他们部署了非接触式红外探测器来测量样品发出的热能。实验装置位于一个气候控制室的振动稳定台上——这是一个安装起来相当棘手的设备。

“这张桌子重达一吨，所以我们不能简单地将它放入电梯中。为了将它放入实验室，我们必须拆除两扇窗户并用起重机将其吊进去，”DanielHägele告诉我们。“此外，它必须站在房间的特定位置，这样它就不会撞到地板上，”JörgRudolph补充道。

同时测量多种材料特性

该装置现已在实验室中安全安装多年，Hägele、Rudolph和Fischer已使用它来测量多种材料。除了测量快速的温度变化之外，它们还可以同时捕获固体中的第二种材料特性，即极化——这是波鸿装置独特的另一个方面。这是有用的，因为高度极化的材料具有产生冷的优势。

除了稀土钆和各种金属合金等现有材料外，波鸿的研究人员还在探索陶瓷和塑料聚合物等其他材料类别，因为这些类别也产生了有前途的候选材料。在此过程中，他们注重环保无毒的材料。

其中一些已经被其他团体用来建造示威者。“我们的基础研究有如此切实的应用真是太棒了，”约尔格·鲁道夫说。“这是一个强大的动力。”

基于热量效应的冷却是一个多阶段过程。通常，一种材料一次只能实现三到四次冷却，最多6°C。然而，冷却系统可以由多个室组成，在它们连接的地方提供几度的冷却，从而总体上实现显着的冷却效果。

许多可行的应用

与传统冰箱不同的是，不再使用气体或液体而是使用固体材料产生冷量。“使用固体材料的优点是每立方厘米含有更多的原子，”哈格勒解释道。“这将使我们能够制造更紧凑的冷却设备。”并且也可能更有效。

这不仅适用于冰箱和空调系统，还适用于氢气液化等。在一个越来越温暖的世界里肯定会有大量的应用。

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