Under de senaste åren, termoelektriska generatorer har blivit fokus för ett växande antal studier, på grund av deras förmåga att omvandla spillvärme till elektrisk energi. Kvantprickar, halvledarkristaller med distinkta ledande egenskaper, kan vara bra kandidater för termoelektrisk generation, eftersom deras diskreta resonansnivåer ger utmärkta energifilter.

I en färsk studie, forskare vid University of Cambridge, i samarbete med kollegor i Madrid, Rochester, Duisburg och Sheffield, har experimentellt visat potentialen hos en autonom nanoskala energiskördare baserad på resonanta tunneldragande kvantpunkter. Denna skördare är baserad på tidigare forskning som utförts av en del av deras team, som hade föreslagit en tre-terminal energiskördare baserad på två resonant-tunnande kvantpunkter med olika energinivåer.

Energiskördaren anordnades vid Cavendish Laboratory i Cambridge av en forskare vid namn Gulzat Jaliel. Det ursprungliga teoretiska förslaget för enheten, dock, introducerades av Andrew Jordan 2013, och det teoretiska arbetet bakom skördaren utfördes av honom i samarbete med den kända halvledarfysikern Markus Büttiker och ett team av postdoktorander i Genève.

"Eftersom tidningen av mina kollegor Rafa och Markus om Coulomb blockerade prickar, Jag började tänka på termoelektri i mesoskopiska kretsar, "Jordanien, en av forskarna som utvecklade teorin bakom skördaren, berättade för Phys.org. "Under min sabbatsdag i Genève 2010-2011, vi tänkte och beräknade om den kaotiska hålrumsmotorn med kvantpunktskontakter och jag slutade publicera en annan tidning med Björn och Rafa. "

Enheten som tidigare föreslagits av Jordan och några av hans kollegor, dock, förutspådde en låg effekt. Sommaren 2013, därför, när han återvände till Genève för ett kort besök, Jordan började utforska sambandet mellan resonant tunneling och termoelektricitet ytterligare. Hans intuition var att en enhet som använder resonanta kvantpunkter skulle ha större effekt och hög effektivitet.

"Jag minns mycket väl att jag satt på mitt hotellrum på en lördag i Genève, leker med ekvationerna, och inser att om vi helt enkelt gav kaviteten sin egen temperatur och kemiska potential, då blev allt väldigt enkelt och vi fick ett bra resultat att för varje energiomgång tog elektronen upp, en enda elektronladdning transporterades och laddnings- och energibalansen var enkel, "Sa Jordan." Att skala upp skulle också vara enkelt, i princip. Jag skrev resultaten med Björn och Rafa, och Markus, självklart, och resten är historia. "

Den senaste studien startade när Jaliel's Ph.D. handledare, Professor Charles G. Smith, rådde henne att försöka försöka experimentellt förverkliga quantum dot energi -skördaren som en del av hennes avhandling och hon bestämde sig för att prova. Hennes projekt inspirerades också av tidigare forskning utförd av Dr Jonathan Prance vid Cavendish Laboratory, där han använde en liknande enhet för att demonstrera ett kylskåp, belyser en dubbel roll för sådana enheter.

I deras senaste experiment, Jaliel och hennes kollegor byggde i huvudsak en energiskördare genom att placera två kvantprickar bredvid ett centralt hålrum. De kontrollerade sedan energinivåerna för varje prick genom att applicera olika spänningar på sina respektive kolvportar och värmde upp kaviteten genom att stödja växelström i den närliggande kanalen.

Skördaren som utvecklats av Jaliel och hennes medarbetare kan, åtminstone i princip, nå Carnots effektivitet. Dessutom, den kan optimeras för att uppnå en stor effekt i kombination med en hög effektivitet vid maximal effekt.

"När elektronernas energi matchar kvantpunktenergin, de kan komma in eller lämna hålrummet genom prickarna, "Gulzat Jaliel, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "När elektronerna kommer in i den heta håligheten genom lägre energinivåpunkt, och lämna genom den högre energinivån ett, de måste ta lite energi från hålrummet för att kunna slutföra processen, och genererar därför en del termisk kraft från det varma hålrummet autonomt. "

Denna experimentella inställning gjorde det möjligt för forskarna att inse den nya energiskördaren. I verkliga applikationer, dock, kaviteten som användes i studien kunde värmas upp med en mängd andra källor, inklusive spillvärme från andra kvantanordningar.

Intressant, energiskördaren presenterad av Jaliel, Jordan och deras kollegor kan fungera som en grön energikälla när de skalas upp till miljoner eller miljarder, eftersom avfallsenergin den skördar också skulle öka i proportion. En ytterligare fördel med detta kvantprickbaserade system är att det kan användas för att ladda andra enheter i situationer där det är låg energiförsörjning, t.ex. satelliter på platser med stora temperaturgradienter.

"Huvudsyftet med vårt experiment var att visa att det teoretiska förslaget är realiserbart och pålitligt, "Jaliel sa." Ytterligare industriella tillämpningar kommer också att vara mycket intressanta att se. "

Andra forskargrupper har tidigare byggt liknande energiskördare. Ett exempel på detta är en skördare som realiserats av Holger Thierschmann et al., som också baserades på den tidigare studien av Sánchez och Büttiker. Jämfört med denna tidigare utvecklade skördare, dock, enheten som Jaliel och hennes kollegor insåg är lättare att kontrollera, samtidigt som den erbjuder större kraft och effektivitet.

Vid insamling av mätningar vid en uppskattad bastemperatur på 75 mK i en He ³ /Han ⁴ kylskåp, faktiskt, denna nya quantum dot energi skördare kan generera en anmärkningsvärd värmeeffekt på 0,13 fW för en temperaturskillnad över varje prick på cirka 67 mK. I deras framtida studier, forskarna planerar att utforska tre möjliga strategier för att ytterligare förbättra skördarens prestanda. För det första, de skulle vilja göra om prickarna för att få större kontroll över tunnelfrekvensen, skala sedan upp enheten och förbättra dess arbetstemperatur.

"Finare kontroll av punkttunnelhastigheterna bör göra det möjligt att realisera nästan idealisk Carnot -effektivitet, "Sa Jaliel." Uppskalning av kraften kan uppnås med resonanta tunneldragande kvantbrunnar, som också förutses av den teoretiska delen av en annan studie av Björn Sothmann, Rafael Sánchez, Andrew N Jordan och Markus Büttiker. Jag försökte experimentera denna enhet under min doktorsexamen. studie, men tyvärr fick jag ont om tid innan jag avslutade den. Jag skulle verkligen vilja prova igen om jag har chansen. "

© 2019 Science X Network