能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，使得廢熱回收成為全球能源研究的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，例如熱電效應(yīng)，受限于經(jīng)典熱力學(xué)的基本原理，尤其是卡諾效率?？ㄖZ效率η=1?TC/TH 規(guī)定了在兩個(gè)熱平衡態(tài)的儲(chǔ)熱庫(kù)（熱庫(kù)TH 和冷庫(kù)TC）之間工作的熱機(jī)的最大效率。然而，一篇名為《高效利用非熱態(tài)Tomonaga-Luttinger液體進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換》的突破性論文，提出了一種量子熱機(jī)方案，成功利用非熱態(tài)儲(chǔ)熱源，實(shí)現(xiàn)了超越傳統(tǒng)熱機(jī)限制的高效熱能轉(zhuǎn)換，為下一代熱電和能量收集技術(shù)開(kāi)辟了全新的道路。

一、熱力學(xué)的約束與量子熱機(jī)的機(jī)遇

熱力學(xué)第二定律是能源轉(zhuǎn)換的“天花板”。卡諾效率作為理論上限，其核心在于熱機(jī)的工作物質(zhì)必須在熱平衡態(tài)下與儲(chǔ)熱庫(kù)進(jìn)行熱交換。在熱平衡態(tài)下，粒子的能量分布由費(fèi)米-狄拉克分布或玻爾茲曼分布決定，其性質(zhì)完全由一個(gè)單一的溫度 T 和化學(xué)勢(shì) μ 決定。在微電子設(shè)備中，大量的廢熱以低品位的形式散失，而熱電轉(zhuǎn)換效率低下，很大程度上就是因?yàn)樗鼈冊(cè)诰植繜崞胶鉅顟B(tài)下操作，無(wú)法繞開(kāi)卡諾定理的約束。

量子熱機(jī)，尤其是在非平衡態(tài)或非熱態(tài)下工作的系統(tǒng)，被認(rèn)為是突破卡諾限制的關(guān)鍵。非熱態(tài)的儲(chǔ)熱庫(kù)與熱平衡態(tài)的儲(chǔ)熱庫(kù)根本區(qū)別在于：非熱態(tài)的能量分布不能用單一的溫度來(lái)描述。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)在極短的時(shí)間尺度或極小的空間尺度（例如在納米級(jí)量子結(jié)構(gòu)中）內(nèi)被加熱時(shí)，如果其弛豫過(guò)程被抑制，系統(tǒng)將長(zhǎng)時(shí)間保持在一種非熱平衡的亞穩(wěn)態(tài)。這種非熱態(tài)具有更高的“可用能”或“功儲(chǔ)”，原則上可以作為一種更高質(zhì)量的能量源，從而使得熱能轉(zhuǎn)換效率在特定的定義下超越卡諾效率。

二、Tomonaga-Luttinger液體：非熱態(tài)載流子的理想平臺(tái)

Tomonaga-Luttinger液體 (TL Liquid) 是描述一維相互作用電子系統(tǒng)的理論模型。與三維或二維金屬中電子被描述為費(fèi)米液體不同，在一維系統(tǒng)中，電子之間的庫(kù)侖相互作用極其重要。TL液體的基本激發(fā)不是單個(gè)電子，而是集體等離子體模式。正是這種強(qiáng)相互作用和集體激發(fā)，賦予了TL液體獨(dú)特的可積系統(tǒng)特性，使其成為維持非熱態(tài)的理想載體。

論文的關(guān)鍵在于利用了量子霍爾效應(yīng)中的邊緣通道來(lái)構(gòu)造TL液體。

• 抑制弛豫：在這些一維邊緣通道中，電子的運(yùn)動(dòng)是手性的，且與聲子的耦合極弱，熱弛豫過(guò)程被自然抑制。
• 非熱態(tài)的機(jī)制：當(dāng)廢熱（例如來(lái)自附近的量子點(diǎn)接觸晶體管）被注入到TL液體中時(shí)，電子系統(tǒng)無(wú)法迅速達(dá)到熱平衡，而是形成一個(gè)電子-空穴等離子體，即一個(gè)非熱態(tài)亞穩(wěn)態(tài)。
• 雙費(fèi)米分布：這種非熱態(tài)的能量分布函數(shù)fNT(E) 表現(xiàn)出一種“雙費(fèi)米分布”的特征，即存在高能電子（熱載流子）和低能空穴（冷載流子）共存的非對(duì)稱分布，顯著偏離了單一溫度下的費(fèi)米-狄拉克分布。這種非對(duì)稱的分布是提取有用功的巨大能量梯度來(lái)源。

三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能優(yōu)勢(shì)

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)量子點(diǎn)熱機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，用于評(píng)估非熱態(tài)TL液體的性能。量子點(diǎn)作為一種能量過(guò)濾器，其作用是只允許具有特定能量? 的電子通過(guò)，從而有選擇性地從非熱態(tài)源中提取能量。

實(shí)驗(yàn)將非熱態(tài)TL液體作為熱源，與實(shí)驗(yàn)中容易獲得的準(zhǔn)熱態(tài)TL液體進(jìn)行對(duì)比，證明了非熱態(tài)的卓越性能：

• 更大的電動(dòng)勢(shì)：非熱態(tài)提供的最大電動(dòng)勢(shì)顯著高于準(zhǔn)熱態(tài)。電動(dòng)勢(shì)代表了熱機(jī)可以產(chǎn)生的最大電壓，其值越大，意味著其在不產(chǎn)生凈電流的情況下能夠抵抗的外部電壓越大，即熱源的“品質(zhì)”越高。
• 更高的轉(zhuǎn)換效率： 在相同熱量輸入JT 的條件下，非熱態(tài)實(shí)現(xiàn)了更高的熱能轉(zhuǎn)換效率。在零功率極限下（即最大效率點(diǎn)），非熱態(tài)的效率能夠超越準(zhǔn)熱態(tài)的效率。這是由于非熱態(tài)的雙費(fèi)米分布中，高能電子的占比更高，使得熱機(jī)可以從更高的有效能量水平上進(jìn)行“做功”。
• 機(jī)制解釋：這種性能的提升可以直接歸因于非熱態(tài)的能量分布函數(shù)fNT(E)。非熱態(tài)的特征在于在費(fèi)米能級(jí)μ 上方有過(guò)量的高能電子，在μ 下方有過(guò)量的空穴。這種分布使得能量轉(zhuǎn)換過(guò)程可以捕獲更大的有效溫差或化學(xué)勢(shì)差，從而提升了轉(zhuǎn)換效率。

四、結(jié)論與未來(lái)展望

這篇論文的意義在于，它首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了利用可積系統(tǒng)的非熱態(tài)可以作為一種高質(zhì)量的能源，并實(shí)現(xiàn)了超越局部熱平衡限制的高效熱能轉(zhuǎn)換。

• 突破性原理驗(yàn)證： 實(shí)驗(yàn)證明了量子熱機(jī)利用非熱態(tài)儲(chǔ)熱庫(kù)在熱電轉(zhuǎn)換中具有超越經(jīng)典限制的潛力，這為量子熱力學(xué)和非平衡統(tǒng)計(jì)物理的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)支撐。
• 技術(shù)應(yīng)用前景： Tomonaga-Luttinger液體作為一種非熱載流子，極具吸引力。將這一原理應(yīng)用于納米電子學(xué)和集成電路，未來(lái)可以設(shè)計(jì)出新型的片上廢熱收集器，將處理器或芯片產(chǎn)生的廢熱高效地轉(zhuǎn)化為電能，從而提高設(shè)備的能源效率，并可能緩解微電子設(shè)備中的散熱挑戰(zhàn)。

總之，高效利用非熱態(tài)Tomonaga-Luttinger液體進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換的研究，是量子物理與能源技術(shù)交叉領(lǐng)域的一個(gè)重大進(jìn)展。它不僅為深入理解一維量子多體系統(tǒng)的非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)提供了新的視角，更揭示了量子效應(yīng)在未來(lái)能源收集領(lǐng)域中超越經(jīng)典熱力學(xué)極限的巨大潛力。