Создан квантовый транзистор, который позволяет управлять потоком тепла

Исследователи из университета Пуатье (University of Poitiers) и института CNRS, Франция, разработали квантовый тепловой транзистор, позволяющий контролировать проходящий через него поток тепла точно так же, как обычные транзисторы позволяют управлять протекающим через них электрическим током. Такой тепловой транзистор может найти применение в технологиях сбора тепловой энергии, которая обычно выбрасывается в окружающую среду при работе тепловых электростанций и других энергетических систем. В настоящее время существуют методы сбора такой тепловой энергии, но они не отличаются высокой эффективностью, так как их компоненты не могут обеспечить передачу и усиление тепловой энергии так, как это может сделать новый транзистор.

«Для управления электрическим током используются диоды, транзисторы, усилители и другие компоненты, объединяемые в сложные электронные схемы» — рассказывает Карл Жульен (Karl Joulain), ведущий исследователь, — «Теперь мы можем сделать нечто подобное и с тепловыми потоками. На базе новых тепловых элементов мы можем создать тепловые логические элементы, которые позволят управлять, включать и отключать, усиливать и модулировать потоки тепла с целью высокоэффективного сбора вторичного тепла, которое в большинстве случаев теряется безвозвратно».

Следует отметить, что новый транзистор является далеко не первым устройством для управления потоком тепла, но он первый в своем роде, в структуре которого были использованы квантовые компоненты. Другие тепловые приборы, диоды и транзисторы, обычно изготавливались на базе макро- и метаматериалов на основе сплавов металлов, производство которых является весьма энергоемким и дорогостоящим.

С точки зрения функциональной структуры квантовый тепловой транзистор состоит из трех систем, способных находиться в двух стабильных состояниях. Другими словами, текущее состояние этих трех систем определяет включенное или выключенное состояние транзистора. А с физической точки зрения этим состояниям соответствуют состояния квантовых систем, проявляющиеся в виде направления вращения их компонентов. Каждая из трех систем может в какой-то степени контролировать проходящий поток тепла, а их синхронная работа позволяет управлять потоком тепла, текущего через весь транзистор.

Пока еще теоретически исследователи показали, что при помощи нового теплового транзистора можно не только разрешать и прерывать движение теплового потока. Комбинируя различные состояния трех систем транзистора, можно добиться даже усиления теплового потока или его модуляции сигналом, подаваемым извне. В будущем такие транзисторы могут стать основой сложных схем, изготовленных из квантовых объектов, по проводникам которых будут циркулировать потоки тепловой энергии. А собственно квантовые объекты могут представлять собой металлические наночастицы с включенными в них квантовыми точками.

«В наших дальнейших планах стоят исследования, целью которых является дальнейшая оптимизации структуры теплового устройства» — рассказывает Карл Жульен, — «И, естественно, большое внимание мы уделим поиску областей практического применения для разработанного нами транзистора и других сопутствующих вещей»