De afgelopen jaren is thermo-elektrische generatoren zijn de focus geworden van een groeiend aantal studies, vanwege hun vermogen om afvalwarmte om te zetten in elektrische energie. Kwantumstippen, halfgeleiderkristallen met onderscheidende geleidende eigenschappen, goede kandidaten kunnen zijn voor thermo-elektrische opwekking, omdat hun discrete resonantieniveaus uitstekende energiefilters bieden.

In een recente studie, onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, in samenwerking met collega's in Madrid, Rochester, Duisburg en Sheffield, hebben experimenteel het potentieel aangetoond van een autonome energie-oogster op nanoschaal op basis van resonante tunneling-quantumdots. Deze oogstmachine is gebaseerd op eerder onderzoek uitgevoerd door een deel van hun team, die een drie-terminale energieoogster had voorgesteld op basis van twee resonant-tunneling kwantumstippen met verschillende energieniveaus.

Het apparaat voor het oogsten van energie werd gerealiseerd in het Cavendish Laboratory in Cambridge door een onderzoeker genaamd Gulzat Jaliel. Het oorspronkelijke theoretische voorstel voor het apparaat, echter, werd geïntroduceerd door Andrew Jordan in 2013, en het theoretische werk achter de oogstmachine werd door hem uitgevoerd in samenwerking met de beroemde halfgeleiderfysicus Markus Büttiker en een team van postdoctorale studenten in Genève.

"Sinds het artikel van mijn collega's Rafa en Markus over Coulomb geblokkeerde stippen, Ik begon na te denken over thermo-elektriciteit in mesoscopische circuits, " Jordanië, een van de onderzoekers die de theorie achter de oogstmachine ontwikkelde, vertelde Phys.org. "Tijdens mijn sabbatical in Genève in 2010-2011, we dachten en rekenden over de chaotische holte-thermische motor met kwantumpuntcontacten en uiteindelijk publiceerde ik nog een paper met Björn en Rafa."

Het apparaat dat eerder door Jordan en enkele van zijn collega's werd voorgesteld, echter, voorspelde een laag vermogen. In de zomer van 2013 daarom, toen hij terugging naar Genève voor een kort bezoek, Jordan begon de relatie tussen resonante tunneling en thermo-elektriciteit verder te onderzoeken. Zijn intuïtie was dat een apparaat dat resonante kwantumstippen gebruikt, een groter vermogen en een hoog rendement zou hebben.

"Ik herinner me heel goed dat ik op een zaterdag in Genève in mijn hotelkamer zat, spelen met de vergelijkingen, en beseffend dat als we de holte gewoon zijn eigen temperatuur en chemisch potentieel zouden geven, toen werd alles heel eenvoudig en hadden we een mooi resultaat dat voor elk energie-interval het elektron oppikte, een enkele elektronlading werd getransporteerd en de ladings- en energiebalans was eenvoudig, " zei Jordan. "Opschalen zou ook eenvoudig zijn, in principe. Ik schreef de resultaten op met Björn en Rafa, en Markus, natuurlijk, en de rest is geschiedenis."

De recente studie begon toen Jaliel's Ph.D. leidinggevende, Prof. Charles G. Smith, adviseerde haar om te proberen de experimentele realisatie van de quantum dot energy harvester te proberen als onderdeel van haar proefschrift en ze besloot het eens te proberen. Haar project was ook geïnspireerd op eerder onderzoek van Dr. Jonathan Prance in het Cavendish Laboratory, waarin hij een soortgelijk apparaat gebruikte om een ​​koelkast te demonstreren, de nadruk leggen op een dubbele rol van dergelijke apparaten.

In hun recente experimenten, Jaliel en haar collega's bouwden in wezen een energieoogster door twee kwantumstippen naast een centrale holte te plaatsen. Vervolgens regelden ze de energieniveaus van elke stip door verschillende spanningen aan te brengen op hun respectieve plunjerpoorten en verwarmden ze de holte door wisselstroomstromen in het nabijgelegen kanaal te ondersteunen.

De door Jaliel en haar medewerkers ontwikkelde oogstmachine kan, althans in principe Carnot-efficiëntie bereiken. In aanvulling, het kan worden geoptimaliseerd om een ​​groot vermogen te bereiken in combinatie met een hoog rendement bij maximaal vermogen.

"Als de energie van elektronen overeenkomt met de kwantumpuntenergie, ze kunnen de holte binnenkomen of verlaten via de stippen, "Gulzat Jaliël, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Wanneer de elektronen de hete holte binnenkomen via een punt met een lager energieniveau, en vertrek via het hogere energieniveau één, ze moeten wat energie uit de holte halen om het proces te kunnen voltooien, en daarom autonoom wat thermische energie uit de hete holte genereren."

Met deze experimentele opstelling konden de onderzoekers de nieuwe energy harvester realiseren. In toepassingen in de echte wereld, echter, de holte die in hun onderzoek werd gebruikt, zou kunnen worden opgewarmd met behulp van een verscheidenheid aan andere bronnen, inclusief afvalwarmte van andere kwantumapparaten.

interessant, de door Jaliel gepresenteerde energy harvester, Jordan en hun collega's zouden kunnen fungeren als een groene energiebron wanneer ze worden opgeschaald naar miljoenen of miljarden, omdat de afvalenergie die het oplevert, ook evenredig toeneemt. Een ander voordeel van dit op kwantumdots gebaseerde systeem is dat het kan worden gebruikt om andere apparaten op te laden in situaties waar er weinig energie is, zoals satellieten op plaatsen met grote temperatuurgradiënten.

"Het belangrijkste doel van ons experiment was om aan te tonen dat het theoretische voorstel realiseerbaar en betrouwbaar is, "Zei Jaliel. "Alle verdere industriële toepassingen zullen ook erg interessant zijn om te zien."

Andere teams van onderzoekers hebben in het verleden soortgelijke energie-oogstmachines gebouwd. Een voorbeeld hiervan is een oogstmachine gerealiseerd door Holger Thierschmann et al., die ook gebaseerd was op de eerdere studie van Sanchez en Büttiker. In vergelijking met deze eerder ontwikkelde oogstmachine, echter, het door Jaliel en haar collega's gerealiseerde apparaat is gemakkelijker te bedienen, terwijl het ook een groter vermogen en efficiëntie biedt.

Bij het verzamelen van metingen bij een geschatte basistemperatuur van 75 mK in een He ³ /Hij ⁴ koelkast, in feite, deze nieuwe quantum dot energy harvester kan een opmerkelijk thermisch vermogen van 0,13 fW genereren voor een temperatuurverschil over elke dot van ongeveer 67 mK. In hun toekomstige studies, de onderzoekers zijn van plan om drie mogelijke strategieën te onderzoeken om de prestaties van de oogstmachine verder te verbeteren. Ten eerste, ze willen de punten opnieuw ontwerpen om meer controle te krijgen over de tunnelsnelheden, schaal het apparaat vervolgens op en verbeter de werktemperatuur.

"Een fijnere controle van de dot tunneling-snelheden zou het mogelijk moeten maken om een ​​bijna ideale Carnot-efficiëntie te realiseren, "Jaliel zei. "Het opschalen van het vermogen kan worden bereikt met resonante tunneling van kwantumbronnen, zoals ook voorspeld door het theoretische deel van een andere studie van Björn Sothmann, Rafael Sanchez, Andrew N Jordan en Markus Büttiker. Ik heb geprobeerd om dit apparaat experimenteel te realiseren tijdens mijn Ph.D. studie, maar helaas had ik geen tijd meer voordat ik het af had. Ik zou het heel graag nog een keer willen proberen als ik de kans krijg."

© 2019 Wetenschap X Netwerk