Tokio Elm İnstitutu tərəfindən

Sadie Harley tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

Enerji yığımı təcrübəsi üçün qurğu. Kredit: Rabitə Fizikası (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02297-6

Noutbukun arxasına toxunduqda tez-tez isti hiss olunur. Bunun səbəbi hesablama və rabitə üçün istifadə olunan enerjinin bir hissəsinin istilik kimi xaricə çıxmasıdır. Lakin hətta bu “tullantı istiliyi” belə çoxlu miqdarda istifadəyə yararlı enerji ehtiva edir. Bu cür tullantı istiliyini təkrar istifadə üçün elektrik enerjisinə çevirən texnologiyalar enerji yığımı kimi tanınır.

İstilik israfına klassik və kvant yanaşmaları

Klassik termodinamika çərçivəsində ənənəvi enerji toplama texnologiyaları inkişaf etdirilmişdir. Klassik termodinamikada istilik mənbəyinin adətən istilik tarazlığında olduğu fərz edilir – temperaturun vahid olduğu və istilik axınının minimal olduğu sabit bir vəziyyət.

   Öz-özünə konfiqurasiya edən optik cihazlar işığı necə ayırmağı avtomatik olaraq öyrənirPlay Video

Lakin, tullantı istiliyi istilik tarazlığına yaxınlaşdıqca təkrar istifadə edilə bilən enerji miqdarı azalır və nəticədə elektrik enerjisi kimi çıxarıla bilən enerji miqdarı da azalır.

Bu səbəbdən, tədqiqatçılar qeyri-istilik vəziyyətlərinə, istilik tarazlığına girməyən xüsusi kvant vəziyyətlərinə diqqət yetiriblər. Qeyri-istilik vəziyyətləri müxtəlif yollarla – məsələn, temperatur paylanması lazerlərlə idarə olunan atomlarda və ya koherent atom ansambllarında (bir çox atomun eyni ritmi izləyərək sinxron şəkildə davrandığı xüsusi vəziyyətlər) reallaşdırılıb.

Lakin, bir çox hallarda, bu qeyri-istilik vəziyyətlərinin yaradılması yüksək dəqiqlikli nəzarət tələb edir və bu da enerjinin bərpasına praktiki tətbiqləri çətinləşdirir.

Tomonaga-Luttinger mayelərinin vədi

Son illərdə perspektivli bir namizəd getdikcə daha çox diqqəti cəlb edir: Tomonaga-Luttinger (TL) mayesi. TL mayesi elektronların dar bir kanalla məhdudlaşdığı və bir-birinə güclü təsir göstərərkən kollektiv şəkildə hərəkət etdiyi xüsusi bir vəziyyətə aiddir. Elektronlar müstəqil davranmaq əvəzinə, mayeni xatırladan koordinasiyalı şəkildə axır – adı da buna görədir.

TL mayelərində elektron enerji asanlıqla istilik tarazlığına düşmür və qeyri-istilik halları təbii olaraq davam etdirilə bilər. Bu, TL mayelərinin enerji yığımı üçün faydalı ola biləcəyi gözləntilərinə səbəb oldu, lakin onların termoelektrik çevrilmə üçün həqiqətən faydalı olub-olmadığı məlum deyildi.

Eksperimental irəliləyiş və tapıntılar

Tokio Elm İnstitutunun (Science Tokyo) professoru Toşimasa Fucisavanın rəhbərlik etdiyi tədqiqat qrupu bu suala cavab verən dünyanın ilk aydın eksperimental sübutunu təqdim edib. “Communications Physics” jurnalında dərc olunmuş tədqiqatlarında komanda TL mayesində təbii olaraq baş verən qeyri-istilik vəziyyətindən (NT vəziyyəti) istifadə edən kompakt enerji toplama cihazı hazırlayıb və onun istiliyi elektrik enerjisinə çevirmə qabiliyyətini istilik tarazlığına yaxın vəziyyətlə (QT vəziyyəti) müqayisə edib.

Nəticələr göstərdi ki, eyni miqdarda istilik verildikdə, NT vəziyyətində yaranan gərginlik QT vəziyyətindəki gərginlikdən təxminən iki-üç dəfə yüksək idi. Komanda həmçinin istidən elektrik enerjisinə çevrilmə səmərəliliyinin NT vəziyyətində daim daha yüksək olduğunu təsdiqlədi.

Niyə qeyri-termal vəziyyətlər üstünlük təşkil edir

NT vəziyyətinin nə üçün üstünlük təşkil etdiyini anlamağın açarı elektron enerjisinin necə paylandığındadır. Təhlillər göstərdi ki, NT vəziyyətində elektronlar yüksək enerjili və aşağı enerjili populyasiyaların birlikdə mövcud olduğu və eyni zamanda nizamsızlığı (entropiya) qoruduğu bir paylanma nümayiş etdirirlər. Başqa sözlə, istilik tarazlığında olduğu kimi vahid şəkildə rahatlaşmaq əvəzinə, yüksək enerjili elektronların nəzərəçarpacaq dərəcədə çoxluğu qalır və bu da elektrik enerjisinin çıxarılmasını asanlaşdırır.

Nəticələr və gələcək istiqamətlər

Bu nailiyyət tullantı istiliyini elektrik enerjisinə çevirən texnologiyalarda böyük bir irəliləyişin əlamətidir. Potensial tətbiqlərə fabriklərdə və məlumat mərkəzlərində işlənmiş istiliyin genişmiqyaslı bərpası, kompakt elektron cihazların öz-özünə işləməsi, son dərəcə aşağı temperaturlu mühitlərdə enerjiyə qənaət edən texnologiyalar və digər kvant sistemlərinə və inteqrasiya edilə bilən sistemlərə genişləndirmələr daxildir.

Çıxış gücü, qeyri-istilik vəziyyətinin “yüksək enerjili tərəfini” selektiv şəkildə çıxaran enerji filtrlərinin dizaynını təkmilləşdirməklə də artırıla bilər . Daha geniş şəkildə desək, bu konsepsiyanın digər kvant sistemlərinə və istilik tarazlığına asanlıqla girməyən bir sıra maddi sistemlərə tətbiq olunacağı gözlənilir.

Komanda, kvant dünyasında təbii olaraq ortaya çıxan “qeyri-istilik hallarının” yüksək istilik səmərəliliyinə nail ola biləcəyi inancına əsaslanaraq təcrübələr apardı, lakin bunu sübut etmək gözlədiyimizdən daha çətin oldu.

Komanda hesab edir ki, hazırda itirilən istiliyin kvant effektlərinin gücü sayəsində yenidən faydalı olacağı gün yaxınlaşır.

Daha çox məlumat: Hikaru Yamazaki və digərləri, İstiliksiz Tomonaga-Luttinger mayesindən səmərəli istilik enerjisi çevrilməsi, Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02297-6

Jurnal məlumatları: Rabitə Fizikası Tokio Elm İnstitutu tərəfindən təmin edilir