研究人员建造了量子点能量收集器

在过去的几年中，由于热电发电机具有将废热转换成电能的能力，因此已成为越来越多研究的焦点。量子点，具有独特导电性能的半导体晶体，可能是热电产生的良好候选者，因为它们的离散谐振能级提供了出色的能量滤波器。

在最近的一项研究中，剑桥大学的研究人员与马德里，罗切斯特，杜伊斯堡和谢菲尔德的同事合作，通过实验证明了基于共振隧穿量子点的自主纳米级能量收集器的潜力。该收割机是基于他们团队中的一部分进行的先前研究，该团队曾提出一个基于两个具有不同能级的共振隧道量子点的三端能量收割机。

能量收集器设备是由剑桥的卡文迪许实验室的一位名为Gulzat Jaliel的研究员实现的。但是，设备的原始理论建议是由安德鲁·乔丹(Andrew Jordan)在2013年提出的，而收割机的理论工作则由他与著名的半导体物理学家MarkusBüttiker和日内瓦的一组博士后研究人员合作完成。

“自从我的同事Rafa和Markus在库仑阻塞点上发表论文以来，我就开始考虑介观电路中的热电学，”开发了该收割机理论的研究人员之一约旦告诉Phys.org。“在我于2010-2011年在日内瓦休假期间，我们一直在思考和计算具有量子点接触的混沌腔热机，最后我与Björn和Rafa 发表了另一篇论文。”

但是，Jordan和他的一些同事先前提出的设备预计功耗较低。因此，在2013年夏天，当他回到日内瓦进行短暂访问时，约旦开始进一步探索共振隧穿与热电之间的关系。他的直觉是，利用共振量子点的设备将具有更大的功率和更高的效率。

“我记得很周六在日内瓦的旅馆房间里坐着，玩弄了方程式，并意识到如果我们简单地给模腔赋予其自身的温度和化学势，那么一切就变得非常简单，我们得到了一个不错的结果在电子吸收能量的每个间隔中，都会传输单个电子电荷，并且电荷和能量的平衡很简单，”乔丹说。“从原则上讲，扩大规模也很简单。我将结果与Björn和Rafa以及Markus一起写下来，剩下的就是历史了。”

当贾利尔(Jaliel)的博士学位获得者时，最近的研究开始了。导师Charles G. Smith教授建议她尝试将量子点能量收集器的实验实现作为论文的一部分，因此她决定尝试一下。她的项目还受到卡文迪许实验室(Cavendish Laboratory)乔纳森·普兰斯(Jonathan Prance)博士先前进行的研究的启发，他在该研究中使用了类似的设备来展示冰箱，强调了这种设备的双重作用。

贾利尔(Jaliel)和她的同事们在最近的实验中，通过在中心腔体旁边放置两个量子点，实质上构建了一个能量收集器。然后，他们通过向各自的柱塞门施加不同的电压来控制每个点的能级，并通过在附近的通道中支持交流电流来加热空腔。

图片来源：Reuben K. Puddy博士。

贾利尔(Jaliel)和她的合作者开发的收割机至少在原理上可以达到卡诺效率。另外，可以优化它以在最大功率下实现高功率与高效率的结合。

进行这项研究的研究人员之一古尔扎特·贾里尔(Gulzat Jaliel)告诉Phys.org：“当电子的能量与量子点的能量匹配时，它们可以通过点进入或离开腔。” “当电子通过较低能级的点进入热腔，并通过较高能级的点离开时，它们必须从腔中吸收一些能量才能完成该过程，并因此从热中产生一些热能。腔。”

这种实验设置使研究人员能够实现新的能量收集器。但是，在实际应用中，可以使用多种其他方式对研究中使用的腔进行加热，包括来自其他量子设备的废热。

有趣的是，当贾里尔，约旦及其同事介绍的能量收集器规模扩大到数百万或数十亿时，它可以充当绿色能源，因为它收集的废能源也将成比例增加。这种基于量子点的系统的另一个优点是，它可用于在能量供应较低的情况下为其他设备充电，例如温度梯度较大的地方的卫星。

贾利尔说：“我们实验的主要目的是证明理论建议是可行和可靠的。” “任何进一步的工业应用也将非常有趣。”

过去，其他研究人员团队也建造了类似的能量收集器。一个例子就是Holger Thierschmann等人实现的收割机。，这也是基于Sánchez和Büttiker的过去研究得出的。但是，与以前开发的收割机相比，Jaliel和她的同事实现的设备更易于控制，同时还具有更大的功率和效率。

实际上，当在He 3 / He 4冰箱中估计的基本温度为75 mK时收集测量值时，这种新型量子点能量采集器可产生0.13 fW的显着热功率，每个点之间的温差约为67 mK。在未来的研究中，研究人员计划探索三种可能的策略，以进一步提高收割机的性能。首先，他们希望重新设计点以更好地控制隧穿速率，然后扩大器件尺寸并提高其工作温度。

贾利尔说：“对点隧穿速率的更精细控制应该可以实现接近理想的卡诺效率。” “通过共振隧穿量子阱可以达到放大功率的目的，正如BjörnSothmann，RafaelSánchez，Andrew N Jordan和MarkusBüttiker 的另一项研究的理论部分所预测的那样。我确实尝试在博士期间尝试通过实验实现该设备。 D.学习，但不幸的是我没有时间来完成它。如果有机会，我真的很想再做一次。”

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