Използването на квантови състояния, при които се избягва забавянето до топлинна скорост, позволява на генераторите на енергия да надхвърлят ограниченията на законите на термодинамиката, като например ефективността на цикъла на Карно. Екип от изследователи от Япония е разработил нов подход, който използва нетермичния флуид на Томонаги-Латингер за преобразуване на отпадъчната топлина в електричество с по-висока ефективност от конвенционалните методи. Тези резултати проправят пътя към по-продуктивна електроника и квантови машини.

Заобиколени сме от топлина, генерирана от компютри, смартфони, електроцентрали и фабрики. Технологиите за събиране на енергия могат да я превърнат в използваемо електричество, намалявайки зависимостта ни от другите енергийни източници. Традиционните методи за събиране на енергия обаче са ограничени от законите на термодинамиката. В системите, основани на топлинното равновесие, тези закони налагат фундаментални ограничения върху ефективността на преобразуването на топлината.

Изследователски екип от Токийския научен институт е намерил начин да заобиколи това препятствие. Физиците са представили нов метод за събиране на енергия, който използва уникални квантови състояния за постигане на ефективност, надвишаваща традиционните термодинамични граници. Вместо традиционните термични състояния изследователите използват свойствата на нетермичния флуид на Томонага-Латингер. Това е специален вид едномерна електронна система, която поради квантовата си природа не се забавя до топлинна скорост. Това означава, че когато се приложи топлина, системата запазва своето нетермично, високоенергийно състояние, вместо да разпределя енергията равномерно, както е в конвенционалната термична система, пише Phys.

Учените са разработили експеримент, който демонстрира потенциала на тази идея. Те вкарват отпадъчната топлина от транзистор с квантова точка – устройство, което контролира потока от електрони – в термоелектрическа течност. Тази нетермична топлина била пренесена на разстояние от няколко микрометра до топлинен двигател от квантови точки – микроскопично устройство, което преобразува топлината в електричество. Изследователите установиха, че този неконвенционален източник на топлина произвежда значително по-високо електрическо напрежение и постига по-висока ефективност на преобразуване, като значително превъзхожда традиционния квазитермичен източник на топлина.

Впоследствие изследователите разработиха модел, основан на двоичното разпределение на Ферми, за да опишат нетермичните електронни състояния в предложената система. Използвайки го, те показаха, че техният метод превъзхожда не само ефективността на цикъла на Карно, който описва съотношението между произведената електроенергия и отделената топлина, но и ефективността на цикъла на Кързън-Алборн, който описва ефективността при максималната изходна мощност на конвенционалните топлинни двигатели.

„Нашите резултати показват, че топлинните отпадъци на квантовите компютри и електронните устройства могат да бъдат превърнати в полезна енергия чрез високоефективно събиране на енергията“,

казва Тошимаса Фуджисава, ръководител на изследователския екип.