综述：介观系统中非弹性热电输运和涨落

论文信息：

Rongqian Wang, Chen Wang, Jincheng Lu, and Jian-Hua Jiang, Inelatic thermoelectric transport and fluctuations in mesoscopic systems, Advances in Physics X:7(1), 2082317(2022).

论文链接：

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/23746149.2022.2082317

导读

近年来，物理学和能源学的中间地带出现了一个新的研究前沿，称为非弹性热电效应。这拓宽了我们对热电现象的理解，并为高性能热电能量转换提供了新的途径。近日，苏州大学王荣倩博士、蒋建华教授联合苏州科技大学陆金成博士、浙江师范大学王晨副教授，回顾了非弹性输运领域的主要进展，综述了非弹性热电输运的研究动机、基本图像和基本模型。同时阐述了非弹性热电输运引起的多类非常规非平衡效应。该文章发表在Advances in Physics: X，题目为“Inelastic thermoelectric transport and fluctuations in mesoscopic systems”。

综述一览

纳米尺度的热电现象因其与基础物理和应用的相关性而吸引了大量的研究兴趣。几十年来，人们对于热电输运的研究都是以弹性输运过程为基础。尤其，R. Landauer教授用电子从一个热库运动到另一个热库的散射概率描述了任意电势中的非相互作用电子的热电特性。M. Büttiker教授进一步将Landauer散射理论从两热库推广到了多热库输运情况。其本质是将多端理论分解为多对双端过程，并成为研究热电输运的基本理论。然而在实际的电子输运过程中，非弹性散射是不可忽略的。对于这类过程，Landauer-Büttiker理论不再适用于描述对应的热电输运现象。从十年前开始，另一类基本的非平衡过程即非弹性输运过程，得到了越来越多的关注。典型的非弹性装置如 图1(a) 所示：两个电子热库和一个玻色热库，玻色热库提供能量以帮助电子的非弹性传输。在玻色子辅助电子跃迁输运中，利用较大的玻色子频率和窄玻色子带宽可以获得较高的品质因数和功率因子。

图1:(a)玻色子辅助电子隧穿非弹性输运过程的示意图; (b) Onsager系数的边界。蓝色阴影区域表示非弹性情况的展宽，红色阴影区域表示弹性输运情况的展宽

文章简要回顾了非弹性热电效应的研究前沿，总结了介观系统中非弹性热电输运和涨落的理论和实验进展。我们首先给出了热电弹性和非弹性输运的一般理论框架，并揭示了热输运的非弹性过程在介观系统中的独特作用。进而，基于一般理论框架给出了弹性和非弹性热电输运的线性输运系数的不同界限(如 图1(b) 所示)，并总结了非弹性热电输运中出现的独特效应，如热电荷交叉整流效应( 图2(a)-2(b) )、线性热三级管效应( 图2(c)-2(d) )、cooling by heating效应、热电流冷却效应和麦克斯韦妖效应。在非弹性热电效应的启发下，总结了几种能改善热电性能的方法，包括热流电荷分离、热电合作效应、非线性性能增强、非正则热库对热电性能的改善和近场增强效应。从统计物理的角度利用涨落定理分析了热电器件的流和能量转换效率的涨落。此外，我们还对近场增强热电能量转换讨论了几个典型例子，包括量子点系统和石墨烯-六方氮化硼-锑化铟系统。

图2: (a)弹性电流、热流随着电压的函数变化; (b)电荷整流系数、(c)热流、光子热流以及热放大系数、(d)热放大系数随着量子点能级变化的函数图像

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/23746149.2022.2082317

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