Exploitation des états quantiques qui évitent la thermalisation permet aux récolteurs d'énergie de dépasser les limites thermodynamiques traditionnelles telles que l'efficacité de Carnot, rapportent des chercheurs du Japon. L'équipe a développé une nouvelle approche en utilisant un liquide Tomonaga-Luttinger non thermique pour convertir la chaleur des déchets en électricité avec une efficacité plus élevée que les approches conventionnelles. Ces résultats ouvrent la voie à une électronique plus durable à basse puissance et à l'informatique quantique.
Les récolteurs d'énergie, ou dispositifs qui capturent l'énergie à partir de sources environnementales, ont le potentiel de rendre l'électronique et les processus industriels beaucoup plus efficaces. Nous sommes entourés de chaleur déchet, générés partout par des ordinateurs, des smartphones, des centrales électriques et des équipements d'usine. Les technologies de récolte d'énergie offrent un moyen de recycler cette énergie perdue dans l'électricité utile, réduisant notre dépendance à l'égard d'autres sources d'énergie.
Cependant, les méthodes conventionnelles de récolte d'énergie sont limitées par les lois de la thermodynamique. Dans les systèmes qui reposent sur l'équilibre thermique, ces lois imposent des plafonds fondamentaux à l'efficacité de conversion de la chaleur, qui décrit le rapport de la puissance électrique générée et la chaleur extraite de la chaleur des déchets, par exemple, est connue sous le nom d'efficacité du carnot. Ces limites thermodynamiques, comme l'efficacité du Curzon-Ahlborn, qui est l'efficacité de conversion de chaleur sous la condition d'obtenir la puissance électrique maximale, ont limité la quantité de puissance utile qui peut être extraite de la chaleur des déchets.
Maintenant, une équipe de recherche dirigée par le professeur Toshimasa Fujisawa du Département de physique de l'Institut des sciences Tokyo (Science Tokyo), Japon, en collaboration avec le chercheur distingué Senior Koji Muraki des Laboratoires de recherche fondamentale de NTT, Japon, a trouvé un moyen de contourner cette barrière. Dans leur article publié dans Physique des communications Le 30 septembre 2025, l'équipe a introduit une nouvelle technique de récolte d'énergie qui utilise des états quantiques uniques pour atteindre des gains d'efficacité qui dépassent les limites thermodynamiques conventionnelles.
Au lieu de s'appuyer sur les états thermiques traditionnels, les chercheurs ont exploité les propriétés d'un liquide de tomonaga-luttinateur (TL) non thermique. Il s'agit d'un type spécial de système électronique unidimensionnel qui, en raison de sa nature quantique, ne thermalise pas. Cela signifie que lorsque la chaleur est introduite, le système conserve son état non thermique et à haute énergie plutôt que de répandre également l'énergie, comme cela se produit dans un système thermique conventionnel.
L'équipe de recherche a conçu une expérience pour démontrer le potentiel de ce concept. Ils ont injecté de la chaleur des déchets d'un transistor de contact avec point quantique – un dispositif qui contrôle le flux d'électrons – dans un liquide TL. Cette chaleur non thermique a été transportée par plusieurs micromètres vers un moteur de chaleur quantique, qui est un dispositif microscopique qui convertit la chaleur en électricité par des effets quantiques. Les chercheurs ont constaté que cette source de chaleur non conventionnelle produisait une tension électrique significativement plus élevée et atteint une efficacité de conversion plus élevée, fonctionnant bien mieux qu'une source de chaleur conventionnelle quasi-thermalisée.
« Ces résultats nous encouragent à utiliser les liquides TL comme ressource énergétique non thermique pour les nouvelles conceptions d'énergie », explique Fujisawa.
Par la suite, les chercheurs ont développé un modèle basé sur une distribution binaire de Fermi pour fournir une description des états électroniques non thermiques dans le système proposé. L'utilisant, ils ont montré que leur technique dépasse non seulement l'efficacité du carnot mais aussi l'efficacité du Curzon-Ahlborn, qui décrit l'efficacité à la puissance maximale des moteurs thermiques conventionnels.
Dans l'ensemble, cette recherche ouvre la porte à une nouvelle génération de récolte d'énergie, tirant parti des états quantiques non thermiques. « Nos résultats suggèrent que les déchets de la chaleur des ordinateurs quantiques et des dispositifs électroniques peuvent être convertis en puissance utilisable via la récolte d'énergie haute performance », remarque Fujisawa.
