Negli ultimi anni, i generatori termoelettrici sono diventati oggetto di un numero crescente di studi, grazie alla loro capacità di convertire il calore di scarto in energia elettrica. punti quantici, cristalli semiconduttori con proprietà conduttive distintive, potrebbero essere buoni candidati per la generazione termoelettrica, poiché i loro livelli di risonanza discreti forniscono eccellenti filtri energetici.

In un recente studio, ricercatori dell'Università di Cambridge, in collaborazione con i colleghi di Madrid, Rochester, Duisburg e Sheffield, hanno dimostrato sperimentalmente il potenziale di un raccoglitore di energia autonomo su nanoscala basato su punti quantici di tunneling risonante. Questa mietitrice si basa su ricerche precedenti effettuate da parte del loro team, che aveva proposto un raccoglitore di energia a tre terminali basato su due punti quantici a tunnel risonante con diversi livelli di energia.

Il dispositivo per la raccolta dell'energia è stato realizzato al Cavendish Laboratory di Cambridge da un ricercatore chiamato Gulzat Jaliel. La proposta teorica originale per il dispositivo, però, è stato introdotto da Andrew Jordan nel 2013, e il lavoro teorico dietro la mietitrice è stato svolto da lui in collaborazione con il famoso fisico dei semiconduttori Markus Büttiker e un team di studenti post-dottorato a Ginevra.

"Poiché il documento dei miei colleghi Rafa e Markus su Coulomb ha bloccato i punti, Ho iniziato a pensare alla termoelettrica nei circuiti mesoscopici, "Giordania, uno dei ricercatori che ha sviluppato la teoria dietro la mietitrice, ha detto a Phys.org. "Durante il mio anno sabbatico a Ginevra nel 2010-2011, stavamo pensando e calcolando sul motore termico a cavità caotica con contatti a punto quantico e ho finito per pubblicare un altro articolo con Björn e Rafa."

Il dispositivo precedentemente proposto da Jordan e alcuni suoi colleghi, però, previsto una bassa potenza. Nell'estate del 2013, perciò, quando tornò a Ginevra per una breve visita, Jordan ha iniziato a esplorare ulteriormente la relazione tra tunneling risonante e termoelettricità. La sua intuizione era che un dispositivo che utilizza punti quantici risonanti avrebbe una potenza maggiore e un'elevata efficienza.

"Ricordo benissimo di essermi seduto nella mia stanza d'albergo un sabato a Ginevra, giocando con le equazioni, e rendendoci conto che se dessimo semplicemente alla cavità la sua temperatura e il suo potenziale chimico, poi tutto è diventato molto semplice e abbiamo avuto un bel risultato che per ogni intervallo di energia l'elettrone prendeva, veniva trasportata una singola carica di elettroni e il bilancio di carica ed energia era semplice, " ha detto Jordan. " Anche il ridimensionamento sarebbe semplice, in linea di principio. Ho scritto i risultati con Björn e Rafa, e Marco, Certo, e il resto è storia".

Il recente studio è iniziato quando il dottorato di ricerca di Jaliel. supervisore, Prof. Charles G. Smith, le consigliò di provare a tentare la realizzazione sperimentale dell'energy harvester a punti quantici come parte della sua tesi e decise di fare un tentativo. Il suo progetto è stato anche ispirato da precedenti ricerche svolte dal Dr. Jonathan Prance presso il Cavendish Laboratory, in cui ha usato un dispositivo simile per dimostrare un frigorifero, evidenziando un duplice ruolo di tali dispositivi.

Nei loro recenti esperimenti, Jaliel e i suoi colleghi hanno essenzialmente costruito un raccoglitore di energia posizionando due punti quantici accanto a una cavità centrale. Hanno quindi controllato i livelli di energia di ciascun punto applicando tensioni diverse alle rispettive porte a stantuffo e hanno riscaldato la cavità supportando correnti CA nel canale vicino.

La mietitrice sviluppata da Jaliel e dai suoi collaboratori può, almeno in linea di principio, raggiungere l'efficienza di Carnot. Inoltre, può essere ottimizzato per ottenere una grande potenza in combinazione con un'elevata efficienza alla massima potenza.

"Quando l'energia degli elettroni corrisponde all'energia del punto quantico, possono entrare o uscire dalla cavità attraverso i punti, "Gulzat Jaliel, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Quando gli elettroni entrano nella cavità calda attraverso un punto di livello energetico inferiore, e lasciare attraverso il livello di energia superiore uno, devono prendere un po' di energia dalla cavità per poter completare il processo, e quindi generare autonomamente una certa potenza termica dalla cavità calda."

Questa configurazione sperimentale ha permesso ai ricercatori di realizzare il nuovo energy harvester. Nelle applicazioni del mondo reale, però, la cavità utilizzata nel loro studio potrebbe essere riscaldata utilizzando una varietà di altre fonti, compreso il calore disperso da altri dispositivi quantistici.

interessante, il raccoglitore di energia presentato da Jaliel, La Giordania e i suoi colleghi potrebbero fungere da fonte di energia verde quando verranno scalati fino a milioni o miliardi, poiché anche l'energia di scarto che raccoglie aumenterebbe in proporzione. Un ulteriore vantaggio di questo sistema basato su punti quantici è che potrebbe essere utilizzato per caricare altri dispositivi in ​​situazioni in cui c'è una bassa fornitura di energia, come i satelliti in luoghi con grandi gradienti di temperatura.

"Lo scopo principale del nostro esperimento era dimostrare che la proposta teorica è realizzabile e affidabile, " Ha detto Jaliel. "Anche eventuali ulteriori applicazioni industriali saranno molto interessanti da vedere".

Altre squadre di ricercatori hanno costruito in passato raccoglitori di energia simili. Ne è un esempio una mietitrice realizzata da Holger Thierschmann et al., che si basava anche sul precedente studio di Sanchez e Buttiker. Rispetto a questa mietitrice precedentemente sviluppata, però, il dispositivo realizzato da Jaliel e dai suoi colleghi è più facile da controllare, offrendo allo stesso tempo maggiore potenza ed efficienza.

Quando si effettuano misurazioni a una temperatura di base stimata di 75 mK in un He ³ /Lui ⁴ frigorifero, infatti, questo nuovo raccoglitore di energia a punti quantici può generare una notevole potenza termica di 0,13 fW per una differenza di temperatura su ciascun punto di circa 67 mK. Nei loro studi futuri, i ricercatori hanno in programma di esplorare tre possibili strategie per migliorare ulteriormente le prestazioni della mietitrice. in primo luogo, vorrebbero ridisegnare i punti per ottenere un maggiore controllo dei tassi di tunneling, quindi ingrandisci il dispositivo e migliora la sua temperatura di lavoro.

"Un controllo più preciso dei tassi di tunneling dei punti dovrebbe consentire di realizzare un'efficienza di Carnot quasi ideale, " Ha detto Jaliel. "Aumentare la potenza potrebbe essere ottenuto con pozzi quantici di tunneling risonanti, come previsto anche dalla parte teorica di un altro studio di Björn Sothmann, Rafael Sanchez, Andrew N Jordan e Markus Buttiker. Ho tentato di realizzare sperimentalmente questo dispositivo durante il mio dottorato di ricerca. studio, ma purtroppo ho esaurito il tempo prima di finirlo. Mi piacerebbe davvero fare un altro tentativo se ne avrò la possibilità".

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