Современные исследования демонстрируют значительные успехи в области тепловых двигателей на основе квантовых точек, достигающих эффективности преобразования электричества, превосходящей традиционные системы. Ученые смогли обеспечить движение высокоэнергетических электронов к тепловому двигателю на квантовых точках, который затем преобразует тепло в электричество посредством квантовых эффектов. Этот подход превосходит как пределы эффективности Карно, так и пределы эффективности Курзона-Эйльборна, которые представляют собой максимальную эффективность при пиковой мощности для обычных двигателей. Эти прорывы открывают путь к новой эре в области маломощной электроники и квантовых вычислений, поскольку способность напрямую перерабатывать отработанное тепло в полезную энергию предлагает значительный потенциал для этих областей.
Исследовательская группа использовала бинарную модель Ферми для моделирования распределения нетепловых электронов. Их выводы подтверждают, что этот подход превосходит пределы эффективности Карно и Курзона-Эйльборна. Эти пределы представляют собой максимальную эффективность при пиковой мощности для обычных двигателей, подчеркивая инновационный характер этой квантовой технологии. Экспериментальная реализация теплового двигателя на квантовых точках продемонстрировала эффективность, близкую к пределу Курзона-Эйльборна при максимальной мощности, и эффективность, превышающую 70% от эффективности Карно, что является первым подтверждением использования квантовых точек в высокоэффективных тепловых двигателях.
Дальнейшие исследования продемонстрировали работу тепловых двигателей с обменом частиц вблизи термодинамических пределов эффективности, причем один из них превысил 70% эффективности Карно при сохранении выходной мощности. Другое исследование квантовых циклов Карно для микроскопических тепловых двигателей показало, что эффективность зависит от теплоемкости резервуаров и рабочей субстанции. Это исследование предполагает возможность превышения стандартных пределов Карно без дополнительных квантовых ресурсов. Эти коллективные достижения в области тепловых двигателей на квантовых точках знаменуют собой важный шаг к более эффективным технологиям преобразования энергии.
Исследования показывают, что квантовые точки могут служить почти идеальными энергетическими фильтрами, что делает их интересными для изучения термоэлектрического преобразования энергии вблизи термодинамических пределов. Разработка таких систем ведет к созданию тепловых двигателей с высокой эффективностью, несмотря на их малый размер, называемых квантовыми тепловыми двигателями.