Wetenschappers hebben een belangrijke doorbraak bereikt in de efficiëntie van warmtemotoren door gebruik te maken van quantum dots. Deze nieuwe technologie, die warmte omzet in elektriciteit via kwantumeffecten, overtreft de prestaties van traditionele thermische systemen.
De kern van deze innovatie ligt in het introduceren van warmte in een niet-thermische toestand via een quantum point contact transistor. Hierdoor kunnen hoogenergetische elektronen over enkele micrometers naar een quantum-dot warmtemotor worden geleid. Deze motor zet vervolgens de warmte om in elektriciteit, wat resulteert in superieure efficiënties vergeleken met bestaande technologieën. Het onderzoeksteam paste een binair Fermi-model toe om de niet-thermische elektronendistributie te simuleren, wat bevestigde dat deze aanpak zowel de Carnot- als de Curzon-Ahlborn-efficiëntiegrenzen overtreft. De experimentele realisatie van een quantum-dot warmtemotor toonde een efficiëntie die dicht bij de Curzon-Ahlborn-limiet lag bij maximaal vermogen, en een efficiëntie van meer dan 70% van de Carnot-efficiëntie, wat de eerste bevestiging is van het gebruik van quantum dots in zeer efficiënte warmtemotoren.
Deze grenzen vertegenwoordigen de maximale efficiëntie bij piekvermogen voor conventionele motoren. Recente studies hebben aangetoond dat deeltjesuitwisselingswarmtemotoren opereren nabij thermodynamische efficiëntielimieten, waarbij sommige meer dan 70% van de Carnot-efficiëntie bereiken met behoud van vermogen. Deze doorbraken openen de deur naar een nieuw tijdperk in low-power elektronica en quantum computing, waar de directe recycling van restwarmte tot bruikbare energie aanzienlijke mogelijkheden biedt.
Verder onderzoek naar quantum Carnot-cycli van microscopische warmtemotoren heeft aangetoond dat de efficiëntie wordt beïnvloed door de warmtecapaciteiten van de reservoirs en de werkende substantie. Dit onderzoek suggereert de mogelijkheid om standaard Carnot-limieten te overschrijden zonder extra kwantumbronnen. De ontwikkeling van deze quantum-dot warmtemotoren is een cruciale stap richting efficiëntere energieconversietechnologieën, met name voor toepassingen in quantum computing en energiezuinigere elektronische apparaten.