Новая теория квантового транспорта открывает перспективы для управления энергией в наномасштабе

Вычислительная система на основе неравновесных функций Грина позволяет точно и эффективно прогнозировать оптимизацию термоэлектрических свойств в наномасштабе. Автор: Рику Туовинен

Новая теория квантового транспорта раскрывает, как термоэлектрические флуктуации на фемтосекундной шкале времени влияют на управление энергией в наномасштабе. Университет Ювяскюля (Финляндия) принял участие в разработке теоретического подхода, который позволяет точно моделировать разности температур и электрические токи в наномасштабных переходах, образованных отдельными молекулами. Исследование открывает новые возможности для проектирования компонентов, используемых в квантовых технологиях.

В термоэлектрическом эффекте разность температур генерирует электричество. Хорошо известным примером является эффект Зеебека, при котором напряжение возникает между концами материала, находящимися при разных температурах. В эффекте Пельтье, который является дополнительным явлением, электрический ток вызывает нагрев одного конца материала, в то время как другой охлаждается.

«Это явление особенно интересно в электронике, где компоненты постоянно производят отработанное тепло. Если бы это тепло можно было преобразовать обратно в полезное электричество, одновременно контролируя перегрев, устройства могли бы стать значительно более энергоэффективными», — объясняет старший преподаватель Рику Туовинен из Университета Ювяскюля.

Результаты опубликованы в журнале PRX Energy.

От теории к практике

Совместная работа исследователей из Университета Ювяскюля и Вроцлавского технологического университета показывает, как ведут себя разности температур и электрические токи в наномасштабных переходах, образованных одиночными молекулами, когда электроны находятся не в равновесии, а колеблются вперед и назад во времени.

Для описания этого поведения был разработан новый подход к теории зависящего от времени квантового транспорта, позволяющий изучать наномасштабные структуры, где простые модели не могут охватить многогранные квантовые эффекты. Теория уже реализована в вычислительном программном обеспечении CHEERS, позволяющем проводить детальное моделирование наномасштабных термоэлектрических процессов.

«Наши теоретические результаты показывают, что молекулярные переходы могут демонстрировать сверхкороткие периоды, в течение которых эффективность термоэлектрического преобразования превышает стационарный уровень. Такие кратковременные пики эффективности демонстрируют, что динамический взгляд на термоэлектрический эффект имеет решающее значение как для понимания наномасштабных процессов, так и для развития будущих квантовых и энергетических технологий», — продолжает он.

Управление энергией в наномасштабе требует глубокого понимания квантовой динамики

Исследование показывает, что термоэлектрические флуктуации на фемтосекундной шкале времени в молекулярных переходах могут открыть новые возможности для управления потоком энергии в наномасштабных компонентах.

«Это особенно актуально для будущих технологий, например, при разработке сверхбыстрых болометров, используемых для считывания кубитов в квантовых компьютерах», — добавляет Туовинен.

Исследование подчеркивает, что понимание зависящих от времени квантовых явлений необходимо для использования теплопередачи в наномасштабных системах.

Дополнительная информация: R. Tuovinen et al, Thermoelectric Energy Conversion in Molecular Junctions Out of Equilibrium, PRX Energy (2025). DOI: 10.1103/rj3h-8z3g

Источник: University of Jyväskylä

Термоэлектрические эффекты уже находят применение в различных устройствах — от космических зондов, где они преобразуют тепло радиоизотопных источников в электричество, до портативных холодильников. Однако наномасштабное управление этими процессами может привести к созданию принципиально новых технологий, включая квантовые компьютеры с улучшенным тепловым менеджментом и сверхэффективные микрочипы.