Кусок металла, нагретый с одного конца, даёт слабый электрический ток — это известно почти двести лет. Но что, если вместо простого металла взять слоёный «бутерброд»: сверхпроводник, тонкий изолятор и плоский слой электронов? Через такой переход электроны просачиваются квантовым туннелированием, как вода сквозь пористую стенку, и при этом переносят тепло.
Авторы рассчитали, что если настроить электрический потенциал электронного слоя, переход начинает работать как очень сильный генератор: напряжение достигает 6.75 Δ₀/e, а коэффициент Зеебека — 5 Δ₀/eК. Это значит, что даже крошечная разница температур даёт заметное напряжение. В режиме тепловой машины эффективность доходит до 92% от предела Карно — то есть почти вся теплота переходит в работу, а не рассеивается.
Такая гибкость нужна для квантовых технологий. Кубиты — квантовые ячейки компьютеров — требуют температуры ниже, чем в открытом космосе. А детекторы тёмной материи или реликтового излучения ловят сигналы, которые тонут в тепловом шуме. Новый переход может стать компактным и точным холодильником для этих приборов.
Квантовый «бутерброд» напоминает старый термоэлемент, но работает не на хаотичном движении электронов, а на их упорядоченном квантовом скачке. Тепло не просто рассеивается — оно почти целиком превращается в электричество или в направленный холод.
Лучшие современные термоэлектрические материалы имеют эффективность около 15–20% от предела Карно. Предложенная система достигает 92% — в четыре-пять раз ближе к идеалу.
В романе Артура Кларка «Конец детства» инопланетные корабли используют непостижимые для людей источники энергии. Квантовые тепловые машины, работающие почти без потерь, могли бы стать первым шагом к такой технике.