Однако тепло, которое выделяет работающий ноутбук, — это не просто побочный продукт вычислений. Это энергия, которую в принципе можно использовать повторно. Технологии, преобразующие такое «бросовое» тепло в электричество, уже давно привлекают внимание инженеров. Однако у классических подходов есть фундаментальное ограничение: чем ближе источник тепла к термодинамическому равновесию — состоянию, при котором температура выравнивается и поток тепла минимален, — тем меньше энергии удается извлечь. Японские физики нашли способ обойти это препятствие с помощью квантовых эффектов.
Группа специалистов Токийского института науки под руководством профессора Тосимасы Фудзисавы впервые экспериментально доказали, что так называемые нетермические состояния — особые квантовые состояния, которые не приходят к тепловому равновесию — действительно дают преимущество при преобразовании тепла в электричество.
В фокусе внимания ученых оказалась жидкость Томонаги — Люттингера. Это не обычная жидкость, а особое состояние электронов, которые движутся по очень узкому каналу и сильно взаимодействуют друг с другом. Вместо того чтобы вести себя независимо, электроны перемещаются согласованно, словно поток воды. В таком состоянии энергия электронов не стремится к тепловому равновесию, а нетермические состояния поддерживаются естественным образом, без сложного внешнего контроля.
Ученые создали компактное устройство для сбора энергии, которое использует этот эффект, и сравнила его работу в двух режимах: в нетермическом состоянии и в состоянии, близком к тепловому равновесию. При одинаковом количестве подведенного тепла напряжение, генерируемое в нетермическом состоянии, оказалось в два-три раза выше. Эффективность преобразования тепла в электричество также была стабильно выше.
Секрет такого преимущества, как выяснилось, заключается в распределении энергии электронов. В нетермическом состоянии высокоэнергетические и низкоэнергетические электроны сосуществуют, сохраняя беспорядок, вместо того чтобы равномерно распределяться по энергиям, как при тепловом равновесии. Благодаря этому значительная популяция высокоэнергетических электронов остается доступной, что облегчает извлечение электрической энергии.
Это открытие может стать основой для принципиально новых технологий утилизации тепла. Среди возможных сфер ее применения — рекуперация тепла на заводах и в центрах обработки данных, автономное питание компактных электронных устройств и энергосберегающие технологии для работы при сверхнизких температурах. Ученые также рассчитывают, что подобный подход можно будет распространить на другие квантовые системы и материалы, которые не приходят к тепловому равновесию.
Авторы работы уверены, что приближается день, когда тепло, которое сейчас теряется впустую, будет приносить пользу благодаря квантовым эффектам.
Ранее ученые создали идеально точную технологию коррекции ошибок квантовых вычислений.
