Termalizasyonu önleyen kuantum durumlarından yararlanmak, enerji hasatçılarının Carnot verimliliği gibi geleneksel termodinamik sınırları aşmalarını sağlar, Japonya’dan araştırmacılar. Ekip, atık ısıyı geleneksel yaklaşımlardan daha yüksek verimlilikle elektriğe dönüştürmek için termal olmayan bir Tomonaga-Luttinger sıvısı kullanarak yeni bir yaklaşım geliştirdi. Bu bulgular daha sürdürülebilir düşük güçlü elektronik ve kuantum hesaplamanın yolunu açar.
Enerji hasatçıları veya çevre kaynaklarından enerji yakalayan cihazlar, elektronik ve endüstriyel süreçleri çok daha verimli hale getirme potansiyeline sahiptir. Her yerde bilgisayarlar, akıllı telefonlar, enerji santralleri ve fabrika ekipmanı tarafından üretilen atık ısı ile çevriliyiz. Enerji hasat teknolojileri, bu kayıp enerjiyi faydalı elektriğe geri dönüştürmek için bir yol sunarak diğer güç kaynaklarına olan güvenimizi azaltır.
Bununla birlikte, geleneksel enerji hasat yöntemleri termodinamik yasaları ile kısıtlanmaktadır. Termal dengeye dayanan sistemlerde, bu yasalar, üretilen elektrik gücünün oranını ve atık ısıdan çıkarılan ısıyı, örneğin Carnot verimliliği olarak bilinen ısı dönüşüm verimliliğine temel sınırlar getirir. Bu tür termodinamik sınırlar, maksimum elektrik gücünü elde etme koşulu altında ısı dönüştürme verimliliği olan Curzon-Ahlborn verimliliği gibi, atık ısıdan çıkarılabilecek yararlı güç miktarını kısıtlamıştır.
Şimdi, NTT Temel Araştırma Laboratuvarları, Japonya’dan kıdemli seçkin araştırmacı Koji Muraki ile işbirliği içinde Japonya Bilim Enstitüsü (Science Tokyo) Fizik Bölümü’nden Profesör Toshimasa Fujisawa liderliğindeki bir araştırma ekibi bu engeli atlamak için bir yol buldu. Yayınlanan makalelerinde İletişim Fiziği 30 Eylül 2025’te ekip, geleneksel termodinamik sınırların ötesine geçen verimlilik elde etmek için benzersiz kuantum durumlarını kullanan yeni bir enerji hasat tekniği tanıttı.
Araştırmacılar, geleneksel termal durumlara güvenmek yerine, termal olmayan bir Tomonaga-Luttinger (TL) sıvısının özelliklerini kullandılar. Bu, kuantum doğası gereği tertemalize etmeyen özel bir tek boyutlu elektron sistemidir. Bu, ısı tanıtıldığında, sistemin geleneksel bir termal sistemde olduğu gibi enerjiyi eşit olarak yaymak yerine termal olmayan, yüksek enerjili durumunu tuttuğu anlamına gelir.
Araştırma ekibi, bu kavramın potansiyelini göstermek için bir deney tasarladı. Bir TL sıvısında bir kuantum noktası temas transistöründen (elektron akışını kontrol eden bir cihaz) atık ısıyı enjekte ettiler. Bu termal olmayan ısı, birkaç mikrometre bir kuantum noktalı ısı motoruna taşındı, bu da ısıyı kuantum efektleri ile elektriğe dönüştüren mikroskobik bir cihazdır. Araştırmacılar, bu alışılmadık ısı kaynağının önemli ölçüde daha yüksek bir elektrik voltajı ürettiğini ve geleneksel, yarı termalize bir ısı kaynağından çok daha iyi performans gösteren daha yüksek dönüşüm verimliliği sağladığını buldular.
Fujisawa, “Bu sonuçlar bizi yeni enerji hasat tasarımları için termal olmayan bir enerji kaynağı olarak TL sıvılarını kullanmamızı teşvik ediyor” diyor.
Daha sonra, araştırmacılar, önerilen sistemde termal olmayan elektron durumlarının bir tanımını sağlamak için ikili Fermi dağılımına dayanan bir model geliştirdiler. Bunu kullanarak, tekniklerinin sadece Carnot verimliliğini değil, aynı zamanda geleneksel ısı motorlarının maksimum güç çıkışındaki verimliliği tanımlayan Curzon-Ahlborn verimliliğini de aştığını gösterdiler.
Genel olarak, bu araştırma, termal olmayan kuantum devletlerinden yararlanarak yeni nesil enerji hasatının kapısını açıyor. Fujisawa, “Bulgularımız, kuantum bilgisayarlardan ve elektronik cihazlardan atık ısının yüksek performanslı enerji hasadı yoluyla kullanılabilir güce dönüştürülebileceğini gösteriyor.”
