Quantum heat engines

量子热机

基本信息

  • 批准号:
    2139995
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2018 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Heat engines are one of the central tenets of thermodynamics. In cyclical heat engines, a working gas moves through a reversible cycle to transfer heat between a hot and a cold reservoir and perform useful work. The steam engine and the internal combustion engine are two well-known examples of cyclical heat engines. Particle-exchange heat engines also convert thermal energy into useful work, however heat is transferred from a hot to a cold reservoir via the exchange of particles, for example electrons, in a finite energy range. In the particular case of electron heat engines, electrons flow against an applied electric field to generate power. Typical embodiments of electron heat engines include thermoelectric and photovoltaic devices, where a semiconductor bandgap acts as an energy filter that results in a net charge flow from the hot to the cold reservoir. The thermodynamic efficiency of an electron heat engine depends on exact details of the energy filter and on the heat conductance mediated by nuclear vibrations, or phonons. In recent years the development of nanostructured thermoelectric materials has led to a significant increase in the efficiency of thermoelectric generators and coolers. Yet there is still plenty of room for improvement: conventional thermoelectric devices operate only at a fraction of the Carnot efficiency that is the upper limit that any classical engine can achieve in converting heat to work.Quantum dot heat engines have the potential to operate close to the thermodynamic limit. Their discrete spectrum of provides an ideal energy filter, and their nuclear vibrations could be controlled through clever molecular design. To date there is however sparse experimental evidence of heat- to-electricity conversion in graphene quantum dots. Moreover, quantum effects that are known to play a role in charge transport through graphene quantum dots, and could enhance the efficiency of quantum dot heat engines. Yet, the link between quantum mechanics and thermodynamics on the level of an individual molecule has remained largely unexplored. This project will develop a comprehensive experimental toolkit for investigating quantum dot thermoelectric devices and explore the ultimate efficiency limits of nano-scale thermoelectric energy conversion to establish the paradigm of quantum dot heat engines in nanoscale thermodynamics.
热机是热力学的核心原理之一。在循环热机中,工作气体通过可逆循环在冷热储层之间传递热量并做功。蒸汽机和内燃机是两个众所周知的循环热机的例子。粒子交换热机也将热能转化为有用的功,然而热量是通过粒子(例如电子)在有限的能量范围内的交换从热热源传递到冷热源的。在电子热机的特殊情况下,电子对抗外加电场流动以产生能量。电子热机的典型实施例包括热电和光伏装置,其中半导体带隙充当能量过滤器,导致净电荷从热库流向冷库。电子热机的热力学效率取决于能量过滤器的精确细节,以及核振动或声子所传递的热传导。近年来,纳米结构热电材料的发展使热电发生器和热电冷却器的效率得到了显著提高。然而,仍有很大的改进空间:传统的热电装置只能以卡诺效率的一小部分运行,而卡诺效率是任何经典发动机在将热量转化为功时所能达到的上限。量子点热机有可能接近热力学极限。它们的离散谱提供了理想的能量过滤器,它们的核振动可以通过巧妙的分子设计来控制。然而,迄今为止,石墨烯量子点热电转换的实验证据很少。此外,已知量子效应在石墨烯量子点的电荷传输中起作用,并可以提高量子点热机的效率。然而,量子力学和热力学在单个分子层面上的联系在很大程度上仍未被探索。本项目将开发研究量子点热电器件的综合实验工具包,探索纳米尺度热电能量转换的最终效率极限,建立纳米尺度热力学中的量子点热机范式。

项目成果

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