La investigación de vanguardia está desvelando un potencial sin precedentes en el campo de los motores de calor, gracias a los avances en la tecnología de puntos cuánticos. Científicos han logrado eficiencias de conversión eléctrica que superan notablemente a los sistemas térmicos convencionales, marcando un hito en la búsqueda de soluciones energéticas más eficientes.
El avance clave reside en la introducción de calor en un estado no térmico a través de un transistor de contacto de punto cuántico. Este proceso facilita el movimiento de electrones de alta energía a lo largo de varios micrómetros hasta un motor de calor de puntos cuánticos. Es aquí donde la magia cuántica ocurre: el motor convierte la energía térmica en electricidad mediante efectos cuánticos, demostrando una superioridad notable frente a los métodos tradicionales.
Este enfoque innovador se basa en un modelo binario de Fermi para simular la distribución de electrones no térmicos, confirmando que esta metodología supera los límites de eficiencia teóricos como el de Carnot y el de Curzon-Ahlborn, que representan los máximos de eficiencia para motores convencionales en su punto de máxima potencia. Estos descubrimientos abren la puerta a una nueva era en la electrónica de baja potencia y la computación cuántica. La capacidad de reciclar directamente el calor residual en energía utilizable ofrece un potencial transformador para estas áreas. La implementación experimental de un motor térmico de puntos cuánticos demostró una eficiencia cercana al límite de Curzon-Ahlborn a máxima potencia, y una eficiencia superior al 70% de la eficiencia de Carnot, lo que constituye la primera confirmación del uso de puntos cuánticos en motores térmicos de alta eficiencia.
Investigaciones previas ya habían demostrado motores de calor de intercambio de partículas que operan cerca de los límites de eficiencia termodinámica, con algunos superando el 70% de la eficiencia de Carnot manteniendo su potencia. Adicionalmente, estudios sobre ciclos de Carnot cuánticos en motores de calor microscópicos sugieren que la eficiencia puede ser modulada por las capacidades caloríficas de los reservorios y la sustancia de trabajo, e incluso se plantea la posibilidad de superar los límites estándar de Carnot sin necesidad de recursos cuánticos adicionales.
Los puntos cuánticos, nanoestructuras semiconductoras que confinan el movimiento de electrones y huecos, han sido objeto de intensa investigación por sus propiedades ópticas y electrónicas ajustables. La capacidad de estos motores de calor de puntos cuánticos para aprovechar la energía térmica de manera tan eficiente podría ser fundamental para el desarrollo de tecnologías sostenibles y de próxima generación, impulsando la innovación en múltiples sectores.