Des avancées significatives dans le domaine des moteurs thermiques à points quantiques (quantum dots) promettent une nouvelle ère pour la conversion d'énergie. Ces dispositifs exploitent les principes de la mécanique quantique pour transformer la chaleur en électricité avec une efficacité dépassant les limites des systèmes thermiques conventionnels. Des recherches récentes ont démontré que ces moteurs peuvent atteindre des rendements supérieurs aux limites théoriques classiques, telles que celles de Carnot et de Curzon-Ahlborn, ouvrant la voie à des applications dans l'électronique de faible puissance et l'informatique quantique.
Le cœur de cette innovation réside dans la manipulation d'électrons à haute énergie. En introduisant de la chaleur dans un transistor à point quantique, les scientifiques ont réussi à créer un état électronique non thermique. Ces électrons énergétiques sont ensuite guidés vers un moteur thermique à points quantiques, où la chaleur est convertie en électricité grâce à des effets quantiques subtils. Une étude a utilisé un modèle de Fermi binaire pour simuler la distribution non thermique des électrons, confirmant la supériorité de cette approche par rapport aux limites d'efficacité traditionnelles. L'implémentation expérimentale d'un moteur thermique à points quantiques a démontré une efficacité proche de la limite de Curzon-Ahlborn à puissance maximale, et une efficacité dépassant 70 % de l'efficacité de Carnot, ce qui constitue la première confirmation de l'utilisation des points quantiques dans des moteurs thermiques à haute efficacité. Des expériences ont montré des moteurs thermiques à échange de particules fonctionnant près des limites thermodynamiques, certains dépassant 70 % de l'efficacité de Carnot tout en maintenant une puissance de sortie significative. Ces performances sont attribuées à la capacité des points quantiques à agir comme des filtres d'énergie quasi parfaits, permettant une conversion de chaleur en travail plus directe et efficace.
Les implications de ces avancées sont considérables. La capacité à recycler directement la chaleur résiduelle en énergie utilisable offre un potentiel immense pour les appareils électroniques de faible puissance, où chaque milliwatt compte. De plus, l'informatique quantique, qui repose sur des systèmes complexes et sensibles à la chaleur, pourrait bénéficier grandement de ces technologies de conversion d'énergie plus efficaces. La recherche continue d'explorer les subtilités des cycles de Carnot quantiques et l'influence des capacités thermiques des réservoirs sur l'efficacité globale. Une étude sur les cycles de Carnot quantiques pour les moteurs thermiques microscopiques a suggéré la possibilité de dépasser les limites de Carnot standard sans ressources quantiques supplémentaires. Alors que les moteurs thermiques classiques ont été le moteur de la révolution industrielle, ces nouveaux moteurs à points quantiques pourraient être à l'avant-garde de la prochaine révolution technologique, celle de l'efficacité énergétique à l'échelle nanométrique, représentant un pas crucial vers des technologies de conversion d'énergie plus performantes et durables.