东京科学大学理学院物理学系的藤泽利正教授、NTT物性科学基础研究所的村木康二上席特别研究员等人组成的研究团队于10月1日宣布，利用相互作用的一维电子系“朝永-拉廷格液体”中稳定存在的非热平衡状态，开发出了可以实现超越热力学效率上限的热能收集技术（energy harvesting）。实验证实，将电子器件产生的废热导入液体中，可以在不达到热平衡状态的情况下，将热量输送到远处的热电引擎并提取热能。该技术有望为降低环境负荷做出贡献。相关成果已发表在《Communications Physics》的9月30日刊上。
图1 研究概要示意图
将电子器件产生的废热（waste heat）导入朝永-拉廷格液体（TL liquid）中，通过连接其下游的热电引擎，可实现高电动势、高热效率的发电。（供图：东京科学大学）
图2 本研究使用的元件。(a)实验概念图。将晶体管产生的废热流入朝永-拉廷格液体，并在其下游连接的量子点热电引擎中转换为电能；(b)所用半导体元件的模式图。在半导体表面（灰色）上制作金属栅极（橙色），从而形成晶体管、朝永-拉廷格液体以及量子点热电引擎。（供图：东京科学大学）
将废热转换为电力的能量收集技术正受到越来越多的关注，但既往的能量收集技术以达到热平衡状态的废热进行热电转换为前提，因此受到卡诺效率（在提取电力无限趋近于0时所能获得的最大热效率）和寇松-阿尔博恩效率（在提取电力最大化条件下的热效率）等热力学效率上限的限制。虽然也存在利用与热平衡状态不同的非热平衡状态来超越该上限的热电引擎的研究报告，但许多非热平衡状态是人为制造的特殊状态，难以直接应用于能量收集技术。
为此，研究团队着眼于利用朝永-拉廷格液体作为热输送介质，可以容易地创建非热平衡状态，并保持该非热平衡状态进行热输送。
朝永-拉廷格液体为相互作用的一维电子集体，电子之间强烈相互作用，整体呈现出波的性质，非热平衡状态可以稳定存在。
在实验中，研究团队成功地将晶体管产生的废热导入朝永-拉廷格液体中，并将所生成的非热平衡状态输送到使用量子点的热电引擎中，并提取出了电子。
然后，研究团队根据提取出的电子的量子点条件，评估了热效率等热电特性。
结果证实，与近似热平衡状态相比，通过使用非热平衡状态，可以获得更高的发电电动势（电压），且最大热效率更高，在最大功率时的热效率也更高，从而实现了高效的热电转换。
研究团队还发现，可以获得超越卡诺效率和寇松-阿尔博恩效率等热力学效率上限的高热效率。
藤泽教授表示：“我认为，物性物理学研究的乐趣在于通过探索有趣的物质性质，可以实现新的功能，并为社会发展做出贡献。本次内容展示了一维电子系的物质性质研究中，可以实现高热电转换效率。虽然现在的发电功率还很微小，但我相信通过追求更高的发电功率，未来有望应用于电子器件中的能量再利用。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Communications Physics
论文：Efficient heat-energy conversion from a non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid
作者：Hikaru Yamazaki, Masashi Uemura, Haruhi Tanaka, Tokuro Hata, Chaojing Lin, Takafumi Akiho, Koji Muraki, and Toshimasa Fujisawa
DOI：10.1038/s42005-025-02297-6
