Традиционные технологии сбора энергии ограничены термодинамическим равновесием, что затрудняет эффективное использование отработанного тепла, близкого к равновесию. Команда профессора Тосимаса Фудзисавы из Токийского университета естественных наук опубликовала в журнале Communications Physics результаты исследования, впервые экспериментально подтвердив, что нетермические состояния (NT-состояния) в жидкости Томонаги–Латтинжера (TL-жидкости) могут значительно повысить эффективность термоэлектрического преобразования. При одинаковом тепловом входе напряжение, генерируемое в NT-состоянии, оказалось в два-три раза выше, чем в состоянии, близком к тепловому равновесию (QT-состояние), причём эффективность преобразования всегда была выше. Это открывает новые пути для технологий рекуперации отработанного тепла.

В рамках классической термодинамики сбор энергии зависит от разницы температур между источником тепла и окружающей средой, но при приближении отработанного тепла к равновесию количество доступной энергии резко сокращается. TL-жидкость, представляющая особое электронное состояние, характеризуется коллективным движением электронов в узких каналах, при котором энергия с трудом релаксирует к равновесному состоянию, что естественным образом поддерживает нетермическое равновесие. Используя это свойство, исследовательская группа создала компактное устройство. Сравнивая термоэлектрические характеристики NT- и QT-состояний, они обнаружили, что в NT-состоянии электроны демонстрируют сосуществующее распределение с высокой и низкой энергией, сохраняя большое количество высокоэнергетических электронов, что снижает сложность извлечения энергии. Экспериментальные данные показали, что выходное напряжение и эффективность преобразования в NT-состоянии значительно превосходят показатели QT-состояния, подтверждая преимущество квантовых нетермических состояний в сборе энергии.

Этот прорыв открывает возможности для применения в различных областях: заводы и центры обработки данных смогут в больших масштабах рекуперировать отработанное тепло, снижая энергопотребление; малые электронные устройства, возможно, смогут работать автономно, уменьшая зависимость от батарей; энергосберегающие технологии в условиях сверхнизких температур также выиграют. Исследовательская группа отмечает, что оптимизация конструкции энергетического фильтра для селективного извлечения электронов с «высокоэнергетической стороны» NT-состояния может ещё больше повысить выходную мощность. Эти результаты применимы не только к TL-жидкости, но могут быть распространены на другие квантовые системы и материалы с затруднённой релаксацией, способствуя конвергенции квантовой термодинамики и технологий сбора энергии. Профессор Тосимаса Фудзисава заявил: «Высокая тепловая эффективность квантовых нетермических состояний ранее была трудно доказуема. Этот эксперимент указывает новое направление для использования рассеиваемого тепла».

Подробнее: Авторы: Хикару Ямадзаки и др., Название: «Эффективное преобразование тепловой энергии нетермической жидкости Томонаги–Латтинжера», Опубликовано в: Communications Physics (2025). Информация о журнале: Communications Physics