| Project/Area Number |
19K03682
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | 熱電現象 / 量子ドット / 量子熱力学 / 非平衡 / ナノ量子系 / 量子輸送 / 量子熱機関 |
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| Outline of Research at the Start |
熱力学極限（バルク多体系）の対極に位置するナノ量子系（微小少数系）では、必ずしも従来の熱力学法則が成立する保証はなく、量子理論に基づく熱力学の構築が要請される。本研究課題は、エネルギー変換素子（熱電素子）として有望なナノ量子構造系で起こる非線形熱流・熱電輸送現象の特性を解明すると同時に、その熱電現象をより高い見地から統一的に理解するナノスケールの「非平衡量子熱力学」の構築と展開を行う。
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| Outline of Final Research Achievements |
By applying both a potential difference and a temperature difference between electrodes, nanostructure quantum systems have recently gained considerable attention as thermoelectric devices converting heat into electrical energy. In this research project, we have revealed that controlling the quantum coherence of the system is highly effective in improving their thermal efficiency and output power of nanoscale quantum structures. By embedding a quantum dots in the ring and controlling quantum coherence, we could improve them by up to 5-10 times compared to a dot. We also obtained similar results in the case of nanoscale nanoribbons.
Understanding nanoscale thermoelectric phenomena requires thermodynamics based on quantum principles. By developing the "non-equilibrium quantum thermodynamics" of a single-level quantum dot, we have found that optimal driving between non-equilibrium steady states that minimizes the generalized work dissipation is characterized by thermodynamic distance.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
微細構造技術の進歩に伴い、ナノ量子系をデザインすることが可能となったものの、いかなる構造のナノ系が、エネルギー変換素子として優位性をもつかは必ずしも明らかでなかった。本研究の学術的な意義は、ナノ量子熱機関の開発において、量子コヒーレンス制御が熱電特性の向上に極めて重要である点を明らかにした点である。同時に具体的なナノ系非平衡量子熱力学の解析により、最適駆動に関する知見を得ることができた。将来的には、本課題の成果を利用したエネルギー変換技術の開発を進めることで、エネルギー効率の向上と従来の熱機関が利用できなかった状況での利用を可能とし、持続可能な社会を実現することが期待される。
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