研究人员发现了一种方法，可突破传统热力学限制，将废热转化为电能。

日本研究人员发现了一种突破长期存在的热力学极限（如卡诺效率）的方法，他们利用了不会发生热化的量子态。其创新方法采用非热化的近藤-路丁格液体（Tomonaga-Luttinger liquid），将废热转化为电能的效率高于传统系统。这一突破有望推动电子设备向更高能效发展，并为量子计算的未来进步奠定基础。

能量收集器是一种从周围环境能源中采集能量的装置，为提升现代电子设备及工业作业效率提供了有效途径。日常科技产品，如电脑、智能手机和工厂机械，以及发电厂等大型系统，均会持续产生废热。能量收集技术能够回收这些原本会被浪费的热量，并将其转化为可用电能，从而减少对传统能源供应的依赖。

然而，传统的能量收集技术仍受制于热力学基本原理。在热平衡状态下运行的系统，其将热能转化为电能的效率存在严格限制。由废热源所汲取热量与产生电能之间的比率，由卡诺效率所决定。而诸如库尔松-阿尔伯恩效率（即最大功率输出时可达到的效率）等额外限制条件，进一步限制了从废热中回收实际可用能量的程度。

如今，由日本东京科学大学（Science Tokyo）物理系藤正俊（Toshimasa Fujisawa）教授领衔的研究团队，与日本NTT基础研究实验室的杰出高级研究员村木浩二（Koji Muraki）合作，找到了一种绕过这一障碍的方法。2025年9月30日，该团队在《通讯物理学》上发表的论文中，介绍了一种新型能量收集技术，该技术利用独特的量子态实现了超越传统热力学极限的效率。

日本的量子解决方案

研究人员并未依赖传统的热态，而是利用了非热态的汤川-卢廷格（Tomonaga-Luttinger，简称TL）液体的特性。这是一种特殊的一维电子系统，由于其量子特性，该系统不会发生热化。这意味着，当引入热量时，该系统会保持其非热态、高能态，而非像传统热系统那样将能量均匀分散。

研究团队设计了一项实验，以展现这一概念的潜在价值。他们将来自量子点接触晶体管（一种控制电子流的器件）的废热注入到TL液体中。这种非热形式的热量被传输数微米，抵达量子点热机——这是一种通过量子效应将热能转化为电能的微观装置。研究人员发现，这种非传统热源产生的电压显著更高，转换效率也更高，其性能远超传统的准热平衡热源。藤泽（Fujisawa）表示：“这些结果激励我们利用TL液体作为新型能量收集设计的非热能源。”

随后，研究人员基于二元费米分布构建了一个模型，用以描述所提系统中非热电子态的特性。借助该模型，他们证实其技术不仅超越了卡诺效率，还超越了描述传统热机最大功率输出效率的柯尊-阿尔洪效率。

总体而言，这项研究借助非热量子态，为新一代能量收集技术开辟了道路。藤泽（Fujisawa）表示：“我们的研究结果表明，量子计算机和电子设备产生的废热，可通过高性能能量收集技术转化为可用能源。”倘若足够幸运，该领域进一步的研究将使未来技术更加强大且可持续。

参考文献：由山崎光（Hikaru Yamazaki）、植村真志（Masashi Uemura）、田中春日（Haruhi Tanaka）、幡笃郎（Tokuro Hata）、林超静（Chaojing Lin）、秋府崇文（Takafumi Akiho）、村木浩二（Koji Muraki）和藤泽俊正（Toshimasa Fujisawa）撰写，《非热态近藤-路丁格液体中的高效热能转换》，发表于2025年9月30日《通讯物理学》期刊。 DOI: 10.1038/s42005-025-02297-6

资助方：日本学术振兴会、文部科学省（日本教育、文化、体育、科学与技术部）