研究揭示了纳米级热机中噪声和功率之间的权衡

得益于像人类细胞一样小的纳米级设备，研究人员可以创造出突破性的材料特性，从而制造出更小、更快、更节能的电子产品。然而，为了充分释放纳米技术的潜力，解决噪声问题至关重要

瑞典查尔姆斯理工大学的一个研究小组在解开噪声的基本限制方面迈出了重要一步，为未来的纳米电子学铺平了道路

纳米技术正在迅速发展，在通信和能源生产等行业引起了广泛关注。在纳米级——相当于百万分之一毫米——粒子遵守量子力学定律。通过利用这些特性，可以设计出具有增强导电性、磁性和能效的材料

Chalmers应用量子物理学教授Janine Splettstösser说：“今天，我们见证了纳米技术的切实影响——纳米级设备是更快技术的组成部分，纳米结构使电力生产材料更高效。”

比人类细胞小的设备解锁了新的电子和热电特性

为了将电荷和能量电流控制到单电子水平，研究人员使用了所谓的纳米级设备，即比人类细胞更小的系统。这些纳米电子系统可以充当“微型引擎”，利用量子力学特性执行特定任务

查尔姆斯理工大学应用量子物理学博士生Ludovico Tesser说：“在纳米尺度上，设备可以具有全新的理想特性。这些设备比人类细胞小一百到一万倍，可以设计高效的能量转换过程。”

导航纳米噪声：一个关键的挑战

然而，噪声在推进这项纳米技术研究方面构成了重大障碍。这种破坏性噪声是由设备内的电荷波动和热效应产生的，阻碍了精确和可靠的性能。尽管付出了大量努力，但研究人员尚未发现在不阻碍能量转换的情况下可以在多大程度上消除这种噪声，我们对其机制的理解仍然有限。但现在查尔姆斯大学的一个研究小组已经成功地朝着正确的方向迈出了重要的一步

在他们的研究中，“失衡波动耗散边界”作为编辑的建议发表在《物理评论快报》上，他们研究了纳米级的热电热机。这些专用设备旨在控制废热并将其转化为电力

Splettstösser教授说：“所有电子产品都会散发热量，最近人们做了很多努力来了解如何在纳米级将这种热量转化为有用的能量。微型热电热机利用量子力学特性和非热效应，就像微型发电厂一样，可以将热量转化为电能，而不是让它浪费。”

平衡纳米级热机中的噪声和功率

然而，当受到显著温差的影响时，纳米级热电热机的工作效果更好。这些温度变化使得已经具有挑战性的噪声研究人员面临的研究和理解更加困难。但现在，查尔姆斯的研究人员已经设法阐明了热电热机中噪声和功率之间的关键权衡

“我们可以证明，噪音存在一个直接影响‘发动机’性能的基本约束。例如，我们不仅可以看到，如果你想让设备产生大量功率，你需要容忍更高的噪音水平，还需要容忍确切的噪音量，”Ludovico Tesser说

“它澄清了一种权衡关系，即从这些纳米级发动机中提取特定量的功率必须忍受多少噪音。我们希望这些发现可以作为未来设计高精度纳米级热电装置的指导方针。”