En los ultimos años, Los generadores termoeléctricos se han convertido en el foco de un número creciente de estudios, debido a su capacidad para convertir el calor residual en energía eléctrica. Puntos cuánticos, Cristales semiconductores con propiedades conductoras distintivas, podrían ser buenos candidatos para la generación termoeléctrica, ya que sus niveles de resonancia discretos proporcionan excelentes filtros de energía.

En un estudio reciente, investigadores de la Universidad de Cambridge, en colaboración con compañeros de Madrid, Rochester, Duisburg y Sheffield, han demostrado experimentalmente el potencial de un recolector de energía autónomo a nanoescala basado en puntos cuánticos de efecto túnel resonantes. Esta cosechadora se basa en investigaciones previas realizadas por parte de su equipo, quien había propuesto un recolector de energía de tres terminales basado en dos puntos cuánticos de túnel resonante con diferentes niveles de energía.

El dispositivo recolector de energía fue realizado en el Laboratorio Cavendish en Cambridge por un investigador llamado Gulzat Jaliel. La propuesta teórica original para el dispositivo, sin embargo, fue presentado por Andrew Jordan en 2013, y el trabajo teórico detrás de la cosechadora fue realizado por él en colaboración con el renombrado físico de semiconductores Markus Büttiker y un equipo de estudiantes postdoctorales en Ginebra.

"Dado que el artículo de mis colegas Rafa y Markus sobre puntos bloqueados de Coulomb, Empecé a pensar en termoeléctricos en circuitos mesoscópicos, "Jordania, uno de los investigadores que desarrolló la teoría detrás de la cosechadora, dijo Phys.org. "Durante mi año sabático en Ginebra en 2010-2011, estábamos pensando y calculando sobre el motor térmico de cavidad caótica con contactos de punto cuántico y terminé publicando otro artículo con Björn y Rafa ".

El dispositivo propuesto previamente por Jordan y algunos de sus colegas, sin embargo, predijo una potencia baja. En el verano de 2013, por lo tanto, cuando regresó a Ginebra para una breve visita, Jordan comenzó a explorar más la relación entre la construcción de túneles resonantes y la termoelectricidad. Su intuición fue que un dispositivo que utiliza puntos cuánticos resonantes tendría mayor potencia y alta eficiencia.

"Recuerdo muy bien estar sentado en mi habitación de hotel un sábado en Ginebra, jugando con las ecuaciones, y dándonos cuenta de que si simplemente le dáramos a la cavidad su propia temperatura y potencial químico, luego todo se volvió muy simple y obtuvimos un buen resultado de que por cada intervalo de energía que el electrón recogía, se transportó una sola carga de electrón y el balance de carga y energía fue simple, ", Dijo Jordan." La ampliación también sería simple, en principio. Escribí los resultados con Björn y Rafa, y Markus, por supuesto, Y el resto es historia."

El estudio reciente comenzó cuando el Ph.D. supervisor, Prof. Charles G. Smith, le aconsejó que tratara de intentar la realización experimental del recolector de energía de puntos cuánticos como parte de su tesis y decidió intentarlo. Su proyecto también se inspiró en investigaciones anteriores realizadas por el Dr. Jonathan Prance en el Laboratorio Cavendish, en el que usó un dispositivo similar para demostrar un refrigerador, destacando un papel dual de tales dispositivos.

En sus experimentos recientes, Jaliel y sus colegas esencialmente construyeron un recolector de energía colocando dos puntos cuánticos al lado de una cavidad central. Luego controlaron los niveles de energía de cada punto aplicando diferentes voltajes a sus respectivas compuertas de émbolo y calentaron la cavidad al soportar corrientes de CA en el canal cercano.

La cosechadora desarrollada por Jaliel y sus colaboradores puede, al menos en principio, alcanzar la eficiencia de Carnot. Además, se puede optimizar para lograr una gran potencia en combinación con una alta eficiencia a la máxima potencia.

"Cuando la energía de los electrones coincide con la energía del punto cuántico, pueden entrar o salir de la cavidad a través de los puntos, "Gulzat Jaliel, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Cuando los electrones entran en la cavidad caliente a través del punto de nivel de energía más bajo, y salir por el nivel de energía superior uno, tienen que tomar algo de energía de la cavidad para poder completar el proceso, y por lo tanto generar algo de energía térmica a partir de la cavidad caliente de forma autónoma ".

Esta configuración experimental permitió a los investigadores realizar el nuevo recolector de energía. En aplicaciones del mundo real, sin embargo, la cavidad utilizada en su estudio podría calentarse utilizando una variedad de otras fuentes, incluido el calor residual de otros dispositivos cuánticos.

Curiosamente, el recolector de energía presentado por Jaliel, Jordan y sus colegas podrían actuar como una fuente de energía verde cuando se amplían a millones o miles de millones, ya que la energía residual que recolecta también aumentaría en proporción. Una ventaja adicional de este sistema basado en puntos cuánticos es que podría usarse para cargar otros dispositivos en situaciones en las que hay un bajo suministro de energía. como satélites en lugares con grandes gradientes de temperatura.

"El objetivo principal de nuestro experimento fue demostrar que la propuesta teórica es realizable y confiable, "Dijo Jaliel." Cualquier otra aplicación industrial será muy interesante de ver también ".

Otros equipos de investigadores han construido recolectores de energía similares en el pasado. Un ejemplo de esto es una cosechadora realizada por Holger Thierschmann et al., que también se basó en el estudio anterior de Sánchez y Büttiker. En comparación con esta cosechadora desarrollada anteriormente, sin embargo, el dispositivo realizado por Jaliel y sus colegas es más fácil de controlar, al mismo tiempo que ofrece mayor potencia y eficiencia.

Al recolectar mediciones a una temperatura base estimada de 75 mK en un He ³ /Él ⁴ refrigerador, De hecho, Este nuevo recolector de energía de puntos cuánticos puede generar una notable potencia térmica de 0,13 fW para una diferencia de temperatura en cada punto de aproximadamente 67 mK. En sus estudios futuros, los investigadores planean explorar tres posibles estrategias para mejorar aún más el rendimiento de la cosechadora. Primeramente, les gustaría rediseñar los puntos para obtener un mayor control de las tasas de tunelización, luego escale el dispositivo y mejore su temperatura de trabajo.

"Un control más preciso de las tasas de tunelización de puntos debería permitir lograr una eficiencia de Carnot casi ideal, ", Dijo Jaliel." La ampliación de la potencia podría lograrse con pozos cuánticos de tunelización resonantes, como también predice la parte teórica de otro estudio de Björn Sothmann, Rafael Sánchez, Andrew N Jordan y Markus Büttiker. Intenté realizar experimentalmente este dispositivo durante mi doctorado. estudio, pero lamentablemente se me acabó el tiempo antes de terminarlo. Realmente me gustaría intentarlo de nuevo si tengo la oportunidad ".

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