Ao longo dos últimos anos, geradores termelétricos têm se tornado foco de um número crescente de estudos, devido à sua capacidade de converter o calor residual em energia elétrica. Pontos quânticos, cristais semicondutores com propriedades condutoras distintas, podem ser bons candidatos para geração termelétrica, já que seus níveis ressonantes discretos fornecem filtros de energia excelentes.

Em um estudo recente, pesquisadores da Universidade de Cambridge, em colaboração com colegas em Madrid, Rochester, Duisburg e Sheffield, demonstraram experimentalmente o potencial de um coletor de energia em nanoescala autônomo baseado em pontos quânticos de tunelamento ressonante. Esta colhedora é baseada em pesquisas anteriores realizadas por parte de sua equipe, que propôs um coletor de energia de três terminais baseado em dois pontos quânticos de tunelamento ressonante com diferentes níveis de energia.

O dispositivo coletor de energia foi realizado no Laboratório Cavendish em Cambridge por um pesquisador chamado Gulzat Jaliel. A proposta teórica original para o dispositivo, Contudo, foi apresentado por Andrew Jordan em 2013, e o trabalho teórico por trás da colheitadeira foi realizado por ele em colaboração com o renomado físico de semicondutores Markus Büttiker e uma equipe de alunos de pós-doutorado em Genebra.

"Desde o artigo dos meus colegas Rafa e Markus sobre os pontos bloqueados de Coulomb, Comecei a pensar em termoelétricas em circuitos mesoscópicos, "Jordan, um dos pesquisadores que desenvolveu a teoria por trás da colheitadeira, disse a Phys.org. "Durante meu sabático em Genebra em 2010-2011, estávamos pensando e calculando sobre o caótico motor térmico da cavidade com contatos pontuais quânticos e acabei publicando outro artigo com Björn e Rafa. "

O dispositivo proposto anteriormente por Jordan e alguns de seus colegas, Contudo, previu uma baixa potência. No verão de 2013, Portanto, quando ele voltou a Genebra para uma breve visita, Jordan começou a explorar mais a relação entre tunelamento ressonante e termoeletricidade. Sua intuição era que um dispositivo que utiliza pontos quânticos ressonantes teria maior potência e alta eficiência.

"Lembro-me muito bem de estar sentado no meu quarto de hotel em um sábado em Genebra, brincando com as equações, e percebendo que se simplesmente dermos à cavidade sua própria temperatura e potencial químico, então tudo se tornou muito simples e tivemos um bom resultado que para cada intervalo de energia que o elétron pegou, uma única carga de elétron foi transportada e o balanço de carga e energia era simples, "Jordan disse." Aumentar a escala também seria simples, em princípio. Eu escrevi os resultados com Björn e Rafa, e Markus, claro, E o resto é história."

O estudo recente começou quando o Ph.D. de Jaliel Supervisor, Prof. Charles G. Smith, aconselhou-a a tentar a realização experimental do coletor de energia de pontos quânticos como parte de sua tese e ela decidiu tentar. Seu projeto também foi inspirado por pesquisas anteriores realizadas pelo Dr. Jonathan Prance no Laboratório Cavendish, em que ele usou um dispositivo semelhante para demonstrar uma geladeira, destacando uma dupla função de tais dispositivos.

Em seus experimentos recentes, Jaliel e seus colegas construíram essencialmente um coletor de energia colocando dois pontos quânticos ao lado de uma cavidade central. Eles então controlaram os níveis de energia de cada ponto aplicando tensões diferentes às suas respectivas portas de êmbolo e aqueceram a cavidade ao suportar correntes CA no canal próximo.

A colheitadeira desenvolvida por Jaliel e seus colaboradores pode, pelo menos em princípio, alcance a eficiência de Carnot. Além disso, ele pode ser otimizado para alcançar uma grande potência em combinação com uma alta eficiência na potência máxima.

"Quando a energia dos elétrons coincide com a energia do ponto quântico, eles podem entrar ou sair da cavidade através dos pontos, "Gulzat Jaliel, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Quando os elétrons entram na cavidade quente através do ponto de menor nível de energia, e sai pelo nível de energia superior um, eles precisam tirar alguma energia da cavidade para poder completar o processo, e, portanto, gerar alguma energia térmica da cavidade quente de forma autônoma. "

Esta configuração experimental permitiu aos pesquisadores realizar o novo coletor de energia. Em aplicativos do mundo real, Contudo, a cavidade usada em seu estudo pode ser aquecida usando uma variedade de outras fontes, incluindo calor residual de outros dispositivos quânticos.

Interessantemente, o coletor de energia apresentado por Jaliel, Jordan e seus colegas poderiam atuar como uma fonte de energia verde quando ampliada para milhões ou bilhões, já que a energia residual que coleta também aumentaria proporcionalmente. Outra vantagem deste sistema baseado em pontos quânticos é que ele pode ser usado para carregar outros dispositivos em situações onde há um baixo fornecimento de energia, como satélites em locais com grandes gradientes de temperatura.

"O principal objetivo do nosso experimento foi demonstrar que a proposta teórica é realizável e confiável, "Jaliel disse." Qualquer outra aplicação industrial será muito interessante de ver também. "

Outras equipes de pesquisadores construíram coletores de energia semelhantes no passado. Um exemplo disso é uma colheitadeira realizada por Holger Thierschmann et al., que também foi baseado no estudo anterior de Sánchez e Büttiker. Comparado a este harvester desenvolvido anteriormente, Contudo, o dispositivo realizado por Jaliel e seus colegas é mais fácil de controlar, ao mesmo tempo que oferece maior potência e eficiência.

Ao coletar medições em uma temperatura base estimada de 75 mK em um He ³ /Ele ⁴ frigorífico, na verdade, este novo coletor de energia de ponto quântico pode gerar uma potência térmica notável de 0,13 fW para uma diferença de temperatura em cada ponto de cerca de 67 mK. Em seus estudos futuros, os pesquisadores planejam explorar três estratégias possíveis para melhorar ainda mais o desempenho da colheitadeira. Em primeiro lugar, eles gostariam de redesenhar os pontos para obter maior controle das taxas de tunelamento, em seguida, amplie o dispositivo e melhore sua temperatura de trabalho.

"O controle mais fino das taxas de tunelamento de pontos deve permitir que a eficiência de Carnot quase ideal seja realizada, "Disse Jaliel." Aumentar a potência poderia ser alcançado com poços quânticos de tunelamento ressonante, como também previsto pela parte teórica de outro estudo de Björn Sothmann, Rafael Sánchez, Andrew N Jordan e Markus Büttiker. Eu tentei realizar experimentalmente esse dispositivo durante meu doutorado. estude, mas infelizmente fiquei sem tempo antes de terminar. Eu realmente gostaria de tentar novamente, se eu tiver a chance. "

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