Các nhà nghiên cứu đã thiết kế thành công một bóng bán dẫn nhiệt lượng tử có thể điều khiển các dòng nhiệt, tương tự với cách bóng bán dẫn điện tử điều khiển dòng điện. Thiết bị này có thể dùng cho các ứng dụng tái sử dụng nhiệt thải thu được từ các nhà máy nhiệt điện và các hệ thống năng lượng khác. Hiện nay, mặc dù có nhiều phương pháp để vận chuyển và điều chỉnh nhiệt này, tuy nhiên không thể điều khiển, khuyếch đại và chuyển đổi đóng/mở nhiệt giống như thiết bị bóng bán dẫn nhiệt lượng tử này.

Mới đây, Karl Joulain và các cộng sự thuộc Đại học Poitiers và CNRS (Pháp) đã công bố kết quả nghiên cứu của họ trên tạp chí Physical Review Letters. Joulain cho biết: “Để điều khiển điện năng, người ta dùng các đi ốt điện tử, bóng bán dẫn và các bộ khuếch đại”. Do đó, chúng tôi muốn làm điều tượng tự này với dòng nhiệt. Chúng tôi muốn tạo ra các mạch nhiệt logic tương tự với cách các mạch nhiệt điện tử đã chế tạo. Bằng cách này, có thể dẫn hướng, chuyển đổi đóng/mở, khuếch đại hoặc điều chế được lượng nhiệt bị thải ra.

Mặc dù đây không phải là thiết bị bóng bán dẫn nhiệt đầu tiên, nhưng đây là lần đầu tiên nó được làm bằng các “đối tượng lượng tử” (quantum objects). Các bóng bán dẫn nhiệt khác được làm từ các vật liệu thô (macroscopic materials), chẳng hạn như các chất rắn hoặc các vật liệu chuyển pha.

Các bóng bán dẫn nhiệt lượng tử mới này gồm có các hệ thống 2 cấp (two-level systems), điều này có nghĩa là chúng có 2 trạng thái. Các hệ thống này có thể “thực hiện giống như các spin, mỗi một spin đều có thể ở cả trạng thái lên và trạng thái xuống. Bất kỳ một trong các hệ thống spin này đều có thể điều khiển dòng chảy nhiệt đi qua 2 hệ thống khác”.

Về mặt lý thuyết, các nhà nghiên cứu đã cho thấy rằng dòng nhiệt có thể điều khiển, kiểm soát và khuếch đại được bằng một lượng đủ lớn để cho nó có thể chuyển đổi các spin này giữa 2 trạng thái của nó, từ đó tạo ra hiệu ứng bóng bán dẫn.

Bóng bán dẫn này có thể dùng để điều khiển các dòng nhiệt trong hàng loạt các cấu trúc nano được làm bằng các “đối tượng lượng tử”. Trong tương lai, bóng bán dẫn này về mặt nguyên tắc có thể được chế tạo bằng các chấm lượng tử được nhúng trong các hạt nano.

“Các kế hoạch nghiên cứu trong tương lai là nhằm tối ưu hóa thiết bị và tìm kiếm sự cộng tác của các nhà nghiên cứu để có thể thực hiện các thí nghiệm ở cấp độ lượng tử”, Joulain cho biết.
Nguồn: Tạp chí khoa học và công nghệ Việt Nam