Нас окружает тепло, которое выделяют компьютеры, смартфоны, электростанции и заводы. Технологии сбора энергии позволяют преобразовывать его в полезную электроэнергию, снижая зависимость от других источников энергии. Однако традиционные методы сбора энергии ограничены законами термодинамики. В системах, основанных на тепловом равновесии, эти законы накладывают фундаментальные ограничения на эффективность преобразования тепла.

Исследовательская группа из Токийского научного института нашла способ обойти это препятствие. Физики представили новый метод сбора энергии, использующий уникальные квантовые состояния для достижения эффективности, превышающей традиционные термодинамические пределы. Вместо традиционных тепловых состояний исследователи использовали свойства нетепловой жидкости Томонаги — Латтинжера. Это особый тип одномерной электронной системы, которая в силу своей квантовой природы не замедляется до тепловой скорости. Это означает, что при подаче тепла система сохраняет свое нетепловое, высокоэнергетическое состояние, а не распределяет энергию равномерно, как это происходит в обычной тепловой системе, пишет Phys.

Ученые разработали эксперимент, который демонстрирует потенциал этой идеи. Они инжектировали отходящее тепло квантового точечного транзистора — устройства, управляющего потоком электронов — в термоэлектрическую жидкость. Это нетепловое тепло переносилось на расстояние в несколько микрометров в тепловой двигатель на квантовых точках — микроскопическое устройство, преобразующее тепло в электричество. Исследователи обнаружили, что этот нетрадиционный источник тепла вырабатывал значительно более высокое электрическое напряжение и достигал более высокой эффективности преобразования, значительно превосходя традиционный квазитермализованный источник тепла.

Впоследствии исследователи разработали модель, основанную на бинарном распределении Ферми, для описания нетепловых электронных состояний в предлагаемой системе. Используя ее, они показали, что их метод превосходит не только КПД цикла Карно, который описывает отношение выработанной электроэнергии к отводимому теплу, но и КПД цикла Керзона — Альборна, который описывает КПД при максимальной выходной мощности традиционных тепловых двигателей.

«Наши результаты показывают, что тепловые отходы квантовых компьютеров и электронных устройств можно преобразовать в полезную энергию посредством высокопроизводительного сбора энергии», — отметил Тосимаса Фудзисава, руководитель научной группы.

Группа исследователей из США открыла этой весной «жидкость, восстанавливающую форму» — смесь масла, воды и намагниченных частиц, которая при встряхивании быстро делится и образует форму классической древнегреческой вазы. Свойства этой жидкости противоречат принципам эмульгирования, которое основано на законах термодинамики.