在国家自然科学基金项目（批准号：12027805, 12474042）等资助下，复旦大学安正华教授团队与中国科学院上海技术物理研究所陈平平研究员、宁波东方理工大学李武研究员等合作在热电子汤姆逊冷却直接成像与非平衡增强机制研究方面取得进展：在HgTe和HgCdTe纳米沟道器件中首次同时成像电子温度、晶格温度及对应的热电响应，直接观测到超越经典理论预期的非平衡汤姆逊冷却效应。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）。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41567-026-03510-1。

　　随着芯片制程不断逼近物理极限，微纳尺度电子器件的功耗密度持续增加，散热逐渐成为后摩尔时代电子器件发展的重要挑战。汤姆逊（Thomson）冷却是利用电流与温度梯度相互作用实现热量调控的一种热电效应。然而，在传统玻尔兹曼–昂萨格（Boltzmann–Onsager）近平衡理论框架下，晶格热耗散以及载流子熵变化的限制使其冷却效率相对较低，长期以来难以突破约2%。另一方面，电子与晶格在非平衡条件下可能呈现显著不同的温度分布，但由于缺乏能够同时探测电子温度、晶格温度及热电响应的实验手段，非平衡热电子对汤姆逊冷却的影响及其增强机制尚未得到直接实验揭示。

　　针对这一问题，研究团队利用自主研制的扫描噪声显微镜（SNoiM）与扫描热显微镜（SThM）联用技术，在稳态工作的HgTe和HgCdTe纳米沟道器件中，首次实现了电子温度、晶格温度及对应热电响应的同步成像。实验发现，得益于HgTe中较弱的电声耦合，热电子能够在与晶格近乎脱耦的非平衡状态下实现高温输运。在HgTe/CdTe量子阱纳米缩颈器件中，电子温度最高达到约1720 K，并形成约200 K的非平衡汤姆逊补偿温差；相比之下，在电声耦合更强的HgCdTe对照器件中，电子温度仅达到约760 K，热电子热电信号也受到显著抑制。进一步研究发现，在沟道宽度为1微米的HgTe器件中，汤姆逊冷却补偿比达到晶格通道约9%、电子通道约14.3%，显著超过经典近平衡理论约2%的预期；当沟道宽度增加至3.5微米以上时，该响应则逐渐回落至接近经典理论的水平。第一性原理计算和双温度模型模拟表明，高温非平衡条件下费米边展宽增强了塞贝克系数对电子温度的依赖，从而使汤姆逊系数项在非线性热电响应中发挥重要作用。这些结果表明，强场驱动下的非平衡热电子是实现汤姆逊冷却增强的关键。

　　该研究通过直接成像揭示了非平衡热电子对汤姆逊冷却的增强作用，表明传统近平衡理论所预测的低冷却效率并非适用于所有工作条件。相关发现加深了对微纳尺度电子输运、热电响应及能量耗散机制的认识，也为利用非平衡热电子调控微纳器件中的热量传输提供了新的实验途径。

图 区别于传统异质界面热电效应(a)的HgTe单一纳米沟道中非平衡热电效应(b)，图(c)为电子热分布测量显微镜示意图，图(e-h)为实际热成像对比图：电子(e, f)与晶格(g, h)的焦耳加热(e, g)及热电响应(f, h)成像