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Quantum thermoelectric transport and nonequilibrium quantum thermodynamics at nanoscale

Research Project

Project/Area Number 19K03682
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

Taniguchi Nobuhiko  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70227221)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
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)
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
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。

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.

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。

Report

(5 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2023 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results)

  • [Journal Article] Quantum control of nonlinear thermoelectricity at the nanoscale2020

    • Author(s)
      Nobuhiko Taniguchi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 101 Issue: 11 Pages: 115404-115404

    • DOI

      10.1103/physrevb.101.115404

    • NAID

      120007127664

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Quantum-coherent Enhancedment of Nonlinear Thermoelectricity on Nanoscale Heat Engine2023

    • Author(s)
      Nobuhiko Taniguchi and Yuga Kodama
    • Organizer
      APS March Meeting
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ナノ量子系における非平衡定常状態の最適駆動2023

    • Author(s)
      児玉優河・谷口伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 2023年春季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] グラフェンナノリング熱機関における熱効率と仕事ゆらぎ2022

    • Author(s)
      児玉優河・谷口伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] グラフェンナノリング熱機関における非線形熱電特性の量子制御2022

    • Author(s)
      児玉優河・谷口伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ナノ系非線形熱電現象の状態空間と定常状態熱力学2022

    • Author(s)
      谷口伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 固有状態熱化仮説と非平衡定常状態の純粋状態近似2021

    • Author(s)
      谷口伸彦・児玉優河・長谷川大典
    • Organizer
      日本物理学会 2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 非線形熱電輸送と定常熱力学へのS行列アプローチと拡張2021

    • Author(s)
      谷口伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Enhanced thermoelectricity and steady-state thermodynamics of a quantum dot embedded in networked reservoirs2021

    • Author(s)
      Nobuhiko Taniguchi
    • Organizer
      APS March Meeting
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ナノ系の非線形熱電輸送と非平衡熱力学2020

    • Author(s)
      谷口伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 2020年 秋季大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子ドット干渉計における非線形熱電特性の最適化2020

    • Author(s)
      谷口伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 第75回年次大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] AC磁束量子ドット干渉計の動的量子輸送2020

    • Author(s)
      鎌形優祐・谷口伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 第75回年次大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Controlling nonlinear thermoelectricity of a quantum dot by quantum interference2020

    • Author(s)
      Nobuhiko Taniguchi
    • Organizer
      APS March Meeting
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子ドット干渉計における非線形熱電輸送の量子制御2019

    • Author(s)
      谷口伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 2019年 秋季大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2024-01-30  

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