Các nhà khoa học đã tạo ra một bước đột phá trong công nghệ chuyển đổi năng lượng bằng cách phát triển động cơ nhiệt chấm lượng tử (quantum dot heat engines). Các thiết bị này khai thác các hiệu ứng lượng tử để chuyển đổi nhiệt thành điện với hiệu suất vượt trội so với các hệ thống nhiệt truyền thống, mở ra tiềm năng cho điện tử công suất thấp và máy tính lượng tử.
Cốt lõi của công nghệ này là khả năng đưa nhiệt vào trạng thái phi nhiệt thông qua một bóng bán dẫn điểm tiếp xúc lượng tử (quantum point contact transistor). Nhiệt này sau đó được dẫn đến động cơ nhiệt chấm lượng tử, nơi nó được chuyển đổi thành điện năng bằng các nguyên lý lượng tử tinh vi. Mô hình Fermi nhị phân (binary Fermi model) đã được sử dụng để mô phỏng sự phân bố electron phi nhiệt này, cho thấy phương pháp này vượt qua cả giới hạn hiệu suất Carnot và giới hạn Curzon-Ahlborn, vốn là các giới hạn hiệu suất tối đa của động cơ nhiệt truyền thống. Việc triển khai thực nghiệm động cơ nhiệt chấm lượng tử đã chứng minh hiệu suất gần với giới hạn Curzon-Ahlborn ở công suất tối đa và hiệu suất vượt quá 70% hiệu suất Carnot, đây là xác nhận đầu tiên về việc sử dụng chấm lượng tử trong động cơ nhiệt hiệu suất cao.
Nghiên cứu này có ý nghĩa sâu sắc đối với việc tái chế nhiệt thải thành năng lượng hữu ích. Các động cơ nhiệt trao đổi hạt (particle-exchange heat engines) đã được chứng minh là hoạt động gần các giới hạn nhiệt động lực học, với một số thiết bị đạt hơn 70% hiệu suất Carnot trong khi vẫn duy trì công suất đầu ra. Một nghiên cứu khác về chu trình Carnot lượng tử cho thấy hiệu suất bị ảnh hưởng bởi dung lượng nhiệt của các bể chứa và chất làm việc, cho thấy khả năng vượt qua các giới hạn Carnot tiêu chuẩn ngay cả khi không cần thêm tài nguyên lượng tử.
Những tiến bộ này hứa hẹn không chỉ về hiệu quả năng lượng mà còn mở đường cho các ứng dụng tiên tiến. Khả năng khai thác nhiệt thải hiệu quả là yếu tố then chốt cho sự phát triển của điện tử công suất thấp, nơi tối ưu hóa năng lượng là tối quan trọng. Hơn nữa, trong lĩnh vực máy tính lượng tử, nơi sự ổn định và hiệu quả năng lượng là tối cần thiết, các động cơ nhiệt chấm lượng tử có thể đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý năng lượng và nâng cao hiệu suất hoạt động.
Nghiên cứu về động cơ nhiệt chấm lượng tử đang tiếp tục phát triển, với các khám phá mới liên tục xuất hiện. Các hệ thống sử dụng khí Fermi lý tưởng làm chất làm việc đã cho thấy tiềm năng đạt giới hạn Carnot, nhấn mạnh vai trò của thống kê lượng tử trong các thiết bị nhiệt vi mô. Những nỗ lực không ngừng này đang thúc đẩy ranh giới của những gì có thể trong công nghệ chuyển đổi năng lượng, hứa hẹn một tương lai bền vững và hiệu quả hơn.