Forskere bygger en Quantum Dot Energy Harvester

I løbet af de sidste par år har termoelektriske generatorer er blevet fokus for et stigende antal undersøgelser, på grund af deres evne til at omdanne spildvarme til elektrisk energi. Quantum prikker, halvlederkrystaller med karakteristiske ledende egenskaber, kunne være gode kandidater til termoelektrisk generation, da deres diskrete resonansniveauer giver fremragende energifiltre.

I en nylig undersøgelse, forskere ved University of Cambridge, i samarbejde med kolleger i Madrid, Rochester, Duisburg og Sheffield, har eksperimentelt demonstreret potentialet i en autonom nanoskala energimaskine baseret på resonant tunneling kvantepunkter. Denne høstmaskine er baseret på tidligere forskning udført af en del af deres team, som havde foreslået en tre-terminal energihøster baseret på to resonant-tunneling kvantepunkter med forskellige energiniveauer.

Energihøsteren blev realiseret på Cavendish Laboratory i Cambridge af en forsker ved navn Gulzat Jaliel. Det originale teoretiske forslag til enheden, imidlertid, blev introduceret af Andrew Jordan i 2013, og det teoretiske arbejde bag høstmaskinen blev udført af ham i samarbejde med den berømte halvlederfysiker Markus Büttiker og et team af postdoktorale studerende i Genève.

"Siden papiret af mine kolleger Rafa og Markus om Coulomb blokerede prikker, Jeg begyndte at tænke på termoelektri i mesoskopiske kredsløb, "Jordan, en af ​​forskerne, der udviklede teorien bag høstmaskinen, fortalte Phys.org. "Under mit sabbatår i Genève i 2010-2011, vi tænkte og regnede med den kaotiske hulrumsmotor med kvantepunktskontakter, og jeg endte med at udgive endnu et papir med Björn og Rafa. "

Enheden tidligere foreslået af Jordan og nogle af hans kolleger, imidlertid, forudsagde en lav effekt. I sommeren 2013, derfor, da han tog tilbage til Genève for et kort besøg, Jordan begyndte at undersøge forholdet mellem resonant tunneling og termoelektricitet yderligere. Hans intuition var, at en enhed, der anvender resonante kvantepunkter, ville have større effekt og høj effektivitet.

"Jeg husker meget godt, at jeg sad på mit hotelværelse en lørdag i Genève, lege med ligningerne, og indse, at hvis vi blot gav hulrummet sin egen temperatur og kemiske potentiale, så blev alt meget simpelt, og vi havde et godt resultat, at for hvert interval af energi tog elektronen op, en enkelt elektronladning blev transporteret, og ladnings- og energibalancen var enkel, "Sagde Jordan." Opskalering ville også være enkelt, i princippet. Jeg skrev resultaterne sammen med Björn og Rafa, og Markus, selvfølgelig, og resten er historie. "

Den nylige undersøgelse startede, da Jaliels ph.d. tilsynsførende, Professor Charles G. Smith, rådede hende til at forsøge at forsøge sig med den eksperimentelle realisering af quantum dot energi -høstmaskinen som en del af hendes speciale, og hun besluttede at prøve det. Hendes projekt var også inspireret af tidligere forskning udført af Dr. Jonathan Prance ved Cavendish Laboratory, hvor han brugte en lignende enhed til at demonstrere et køleskab, fremhæver en dobbelt rolle af sådanne enheder.

I deres seneste forsøg har Jaliel og hendes kolleger byggede i det væsentlige en energihøster ved at placere to kvantepunkter ved siden af ​​et centralt hulrum. De kontrollerede derefter energiniveauerne for hver prik ved at anvende forskellige spændinger til deres respektive stempelporte og opvarmede hulrummet ved at understøtte vekselstrømme i den nærliggende kanal.

Mejetærskeren udviklet af Jaliel og hendes samarbejdspartnere kan, i hvert fald i princippet nå Carnot effektivitet. Ud over, det kan optimeres til at opnå en stor effekt i kombination med en høj effektivitet ved maksimal effekt.

"Når elektronernes energi matcher kvantepunktenergien, de kan komme ind i eller forlade hulrummet gennem prikkerne, "Gulzat Jaliel, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Når elektronerne kommer ind i det varme hulrum gennem et lavere energiniveau prik, og forlade det højere energiniveau et, de skal tage noget energi fra hulrummet for at kunne fuldføre processen, og genererer derfor en vis termisk effekt fra det varme hulrum autonomt. "

Denne eksperimentelle opsætning gav forskerne mulighed for at realisere den nye energihøster. I virkelige applikationer, imidlertid, hulrummet, der blev brugt i deres undersøgelse, kunne varmes op ved hjælp af en række andre kilder, herunder spildvarme fra andre kvanteindretninger.

Interessant nok, energihøsteren præsenteret af Jaliel, Jordan og deres kolleger kunne fungere som en grøn energikilde, når de skaleres op til millioner eller milliarder, da spildenergien, den høster, også ville stige i andel. En yderligere fordel ved dette quantum dot-baserede system er, at det kan bruges til at oplade andre enheder i situationer, hvor der er lav energiforsyning, f.eks. satellitter på steder med store temperaturgradienter.

"Hovedformålet med vores eksperiment var at demonstrere, at det teoretiske forslag er realiserbart og pålideligt, "Jaliel sagde." Eventuelle yderligere industrielle applikationer vil også være meget interessante at se. "

Andre forskerteam har tidligere bygget lignende energioptagere. Et eksempel på dette er en mejetærsker realiseret af Holger Thierschmann et al., som også var baseret på den tidligere undersøgelse af Sánchez og Büttiker. Sammenlignet med denne tidligere udviklede mejetærsker, imidlertid, den enhed, Jaliel og hendes kolleger har indset, er lettere at kontrollere, samtidig med at den tilbyder større effekt og effektivitet.

Ved indsamling af målinger ved en estimeret grundtemperatur på 75 mK i en He ³ /Han ⁴ køleskab, faktisk, denne nye quantum dot energihøster kan generere en bemærkelsesværdig termisk effekt på 0,13 fW for en temperaturforskel på tværs af hver prik på omkring 67 mK. I deres fremtidige studier, forskerne planlægger at undersøge tre mulige strategier for yderligere at forbedre mejetærskerens ydeevne. For det første, de vil gerne redesigne prikkerne for at få større kontrol over tunnelleringshastighederne, skaler derefter enheden og forbedrer dens arbejdstemperatur.

"Finere kontrol af priktunnelhastighederne bør gøre det muligt at realisere en næsten ideel Carnot -effektivitet, "Sagde Jaliel." Opskalering af strømmen kan opnås med resonante tunnelingskvantumbrønde, som også forudsagt af den teoretiske del af en anden undersøgelse af Björn Sothmann, Rafael Sánchez, Andrew N Jordan og Markus Büttiker. Jeg forsøgte eksperimentelt at realisere denne enhed under min ph.d. undersøgelse, men desværre løb jeg tør for tid, før jeg sluttede den. Jeg vil virkelig gerne give det en chance mere, hvis jeg har chancen. "

© 2019 Science X Network