Observation of intrinsic transverse thermoelectricity in anisotropic semimetals
研究人员证明，范德华半金属中固有的面内各向异性能够实现无场横向热电制冷，成功地将纳米级器件中的局部热点驱动至环境温度以下，从而克服焦耳热效应。
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在现代电子产品的微观世界中，热量是一个持久且具有破坏性的不速之客。当电流流经计算机芯片的微小路径时，它们会产生热量，但这种热量很少均匀分布。相反，它会集中在被称为“热点”的特定、剧烈的区域。这些局部高温区域会导致性能下降、缩短设备寿命并浪费能源。几十年来，管理这种热量的标准方法是将热量从源头移走，通常使用与电流方向相同的冷却系统。然而，这种方法有一个根本性的局限：它将热流视为一个简单的直线过程。它假设如果你向一个方向推动电流，热量也会沿着同一路径跟随。这种观点忽略了某些材料中存在的更复杂的现实，即电与热之间的关系不是一条直线，而是一张多方向的地图。如果科学家能够学会将热量向侧向引导，使其远离电路中最关键的部分，他们或许能比以往更有效地为设备降温。
复旦大学的一个研究小组现在已经证明，这种侧向引导不仅是可能的，而且可以在不需要通常用于操纵热流的强大外部磁场的情况下实现。通过研究一种特定的半金属晶体，他们观察到一种现象：电流向一个方向流动，会导致完全不同方向的冷却效应。这一发现挑战了长期以来认为热量和电必须同步传输的假设。在实验中，科学家使用了被称为 Td-WTe2 和 TaIrTe4 的材料，这些材料由层状原子组成，原子间的结合力很弱，就像一叠纸一样。这些材料具有独特的内部结构，其原子排列方式使得它们在不同观察方向下的表现各异。这种被称为“各向异性”的特性意味着，该材料导电和产生热量的能力在所有方向上是不均匀的。
研究人员利用这些晶体制造了微型器件，创建了迫使电流通过的狭窄通道。随后，他们使用一台高灵敏度的热显微镜来观察纳米尺度的温度变化。在传统的设置中，当电流流过导线时，由于焦耳热效应，导线会变热。研究人员预料到会看到这种加热现象，但他们还寻找了另一种信号：热电效应，即电荷载流子（携带电力的粒子）的运动可以吸收或释放热量。在大多数材料中，这种效应发生在与电流相同的直线上。然而，由于所用材料独特的晶体结构，研究小组发现热响应发生了分裂。当他们让电流以相对于原子行特定的角度穿过晶体时，热量并不仅仅跟随电流。相反，在垂直于电流的方向上出现了一个明显的冷却效应。
为了证明这种侧向冷却是一种真实的物理效应而非设备的误差，团队将结果与一种在所有方向上表现一致的“各向同性”材料进行了对比。在这些对照实验中，冷却效应消失了，从而证实了该现象完全依赖于晶体的方向性。研究人员随后进一步推进了实验，设计了一种使冷却效应正好集中在热量最剧烈区域的器件。他们发现，在这些特定区域，冷却效应足够强大，可以克服电流引起的自然加热。这意味着，器件最热部分的温度实际上降到了周围室温以下。在 Td-WTe2 材料中，温度下降了约 60 毫开尔文，而在 TaIrTe4 材料中，温度下降了约 100 毫开尔文。虽然这些数字看起来可能很小，但在纳米级电子领域，即使是微小的温度变化也可能导致失效，因此这是一个重大的成就。
成功的关键在于利用材料自身的内部结构而非外部工具来重新定向热流。研究人员展示了通过简单地改变电流进入晶体的角度，就可以将冷却效应从器件的一侧切换到另一侧。这表明冷却并非随机发生，而是材料几何结构的预测性结果。团队还使用计算机模拟来模拟热量是如何移动的，这些模型与他们的实验观察完美契合。模拟显示，冷却是由电流方向与晶体内部轴线之间的不匹配驱动的。当这两个方向不对齐时，材料就会产生横向（即侧向）的热电响应。这种响应足够强，可以将热量从器件最关键的区域拉走，从而在热点中心有效地创造出一个冷点。
这项工作为管理电子设备中的热量开辟了一条新途径。多年来，研究重点一直在于减少热量的产生或将其沿直线移走。这种新方法表明，我们可以转而重塑热量在单个材料内部的分布方式。通过利用某些半金属的天然各向异性，可以创建局部冷却区，针对特定的热点进行降温，而无需笨重的冷却系统或磁场。研究人员强调，这是一种通用的策略，可以应用于其他具有类似特性的材料，为提高未来纳米技术可靠性和效率提供了一种新方法。这种从内部向外冷却设备、在最需要的地方进行精准降温的能力，代表了从单纯地“对抗热量”向主动“控制热流”的转变。
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