Квантовый мир открыл новый подход к сбору энергии

Листайте вправо, чтобы увидеть больше изображений

Однако тепло, которое выделяет работающий ноутбук, — это не просто побочный продукт вычислений. Это энергия, которую в принципе можно использовать повторно. Технологии, преобразующие такое «бросовое» тепло в электричество, уже давно привлекают внимание инженеров. Однако у классических подходов есть фундаментальное ограничение: чем ближе источник тепла к термодинамическому равновесию — состоянию, при котором температура выравнивается и поток тепла минимален, — тем меньше энергии удается извлечь. Японские физики нашли способ обойти это препятствие с помощью квантовых эффектов.

Группа специалистов Токийского института науки под руководством профессора Тосимасы Фудзисавы впервые экспериментально доказали, что так называемые нетермические состояния — особые квантовые состояния, которые не приходят к тепловому равновесию — действительно дают преимущество при преобразовании тепла в электричество.

В фокусе внимания ученых оказалась жидкость Томонаги — Люттингера. Это не обычная жидкость, а особое состояние электронов, которые движутся по очень узкому каналу и сильно взаимодействуют друг с другом. Вместо того чтобы вести себя независимо, электроны перемещаются согласованно, словно поток воды. В таком состоянии энергия электронов не стремится к тепловому равновесию, а нетермические состояния поддерживаются естественным образом, без сложного внешнего контроля.

Так называемая жидкость Томонаги — Люттингера — это особое состояние электронов, которые движутся по очень узкому каналу и сильно взаимодействуют друг с другом.

Ученые создали компактное устройство для сбора энергии, которое использует этот эффект, и сравнила его работу в двух режимах: в нетермическом состоянии и в состоянии, близком к тепловому равновесию. При одинаковом количестве подведенного тепла напряжение, генерируемое в нетермическом состоянии, оказалось в два-три раза выше. Эффективность преобразования тепла в электричество также была стабильно выше.

Секрет такого преимущества, как выяснилось, заключается в распределении энергии электронов. В нетермическом состоянии высокоэнергетические и низкоэнергетические электроны сосуществуют, сохраняя беспорядок, вместо того чтобы равномерно распределяться по энергиям, как при тепловом равновесии. Благодаря этому значительная популяция высокоэнергетических электронов остается доступной, что облегчает извлечение электрической энергии.

В квантовом состоянии из электронов можно извлекать электрическую энергию, в которую преобразовалось тепло.

Это открытие может стать основой для принципиально новых технологий утилизации тепла. Среди возможных сфер ее применения — рекуперация тепла на заводах и в центрах обработки данных, автономное питание компактных электронных устройств и энергосберегающие технологии для работы при сверхнизких температурах. Ученые также рассчитывают, что подобный подход можно будет распространить на другие квантовые системы и материалы, которые не приходят к тепловому равновесию.

Авторы работы уверены, что приближается день, когда тепло, которое сейчас теряется впустую, будет приносить пользу благодаря квантовым эффектам.

Ранее ученые создали идеально точную технологию коррекции ошибок квантовых вычислений.