上海技物所合作研究在热电子汤姆孙冷却直接成像与非平衡增强方面取得重要进展

随着芯片制程逼近物理极限，微纳尺度功耗密度攀升，散热已成为后摩尔时代电子器件的核心瓶颈。经典汤姆孙冷却受晶格主导热耗散及热平衡下载流子熵变化微弱制约，在玻尔兹曼–昂萨格框架内效率长期难以突破2%；由于缺乏热电子动力学直接探测手段，超越经典热平衡极限的热电响应一直未被实验揭示。

近日，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室陈平平研究员团队，与复旦大学安正华教授团队、宁波东方理工大学李武研究员团队合作，在热电子汤姆孙冷却直接成像与非平衡增强机制方面取得进展：在HgTe和HgCdTe纳米沟道器件中首次同时成像电子温度、晶格温度及对应热电响应，直接观测到超越经典理论预期的非平衡汤姆孙冷却效应。相关成果以“Imaging hot-electron Thomson cooling beyond the Boltzmann–Onsager framework”为题发表于《自然·物理》（Nature Physics）。

研究团队基于HgTe基材料长期积累，通过界面与组分控制，在大晶格失配GaAs衬底上生长高质量HgTe/HgCdTe量子阱；利用自主研制的SNoiM与SThM联用技术，首次在稳态器件上同时获取电子温度、晶格温度及热电信号分布。HgTe极弱电声耦合使热电子近乎与晶格“脱耦”输运：HgTe/CdTe纳米缩颈器件电子温度达约1720 K，维持约200 K非平衡汤姆孙补偿温差；HgCdTe对照器件仅约760 K（降低约67%），热电信号几乎淬灭。1 μm宽HgTe沟道中，汤姆孙冷却补偿比达晶格通道约9%、电子通道约14.3%，显著超越经典近平衡约2%极限；沟道加宽至3.5 μm以上时响应回落至经典数值，印证突破源于强场驱动的非平衡热电子而非材料本征异常。第一性原理计算与双温度模型表明，高温下费米边展宽增强塞贝克系数对电子温度的依赖，汤姆孙系数项主导观测到的非线性热电响应。

该结果首次以直接成像证明：汤姆孙效应低效率并非普遍物理限制，而是经典平衡态理论假设的产物；非平衡热电子是纳米尺度能量耗散与调控的关键通道，为后摩尔时代器件片上散热提供新物理思路，也为HgTe基红外探测器热管理提供参考。

本文共同通讯作者为复旦大学安正华教授、中国科学院上海技术物理研究所陈平平研究员和宁波东方理工大学李武研究员。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金，量子科技创新计划、上海市科委探索者计划等资助；样品制备在中国科学院智能科学家平台上完成。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41567-026-03510-1

HgTe纳米缩颈中电子（b、c）与晶格（d、e）的焦耳加热（b、d）及热电响应（c、e）成像

供稿：陈平平研究员课题组

编辑：虞慧娴