東京科學大學理學院物理學系的藤澤利正教授、NTT物性科學基礎研究所的村木康二上席特別研究員等人組成的研究團隊於10月1日宣佈，利用相輔作用的一維電子系「朝永-拉廷格液體」中穩定存在的非熱平衡狀態，開發出了可以實現超越熱力學效率上限的熱能收集技術（energy harvesting）。實驗證實，將電子器件產生的廢熱導入液體中，可以在不達到熱平衡狀態的情況下，將熱量輸送到遠處的焦熱電引擎並提取熱能。該技術有望為降低環境負荷做出貢獻。相關成果已發表在《Communications Physics》的9月30日刊上。
圖1 研究概要示意圖
將電子器件產生的廢熱（waste heat）導入朝永-拉廷格液體（TL liquid）中，通過連接其下游的焦熱電引擎，可實現高電動勢、高熱效率的發電。（供圖：東京科學大學）
圖2 本研究使用的元件。(a)實驗概念圖。將電晶體產生的廢熱流入朝永-拉廷格液體，並在其下游連接的量子點焦熱電引擎中轉換為電能；(b)所用半導體元件的模式圖。在半導體表面（灰色）上製作金屬柵極（橙色），從而形成電晶體、朝永-拉廷格液體以及量子點焦熱電引擎。（供圖：東京科學大學）
將廢熱轉換為電力的能量收集技術正受到越來越多的關注，但既往的能量收集技術以達到熱平衡狀態的廢熱進行焦熱電轉換為前提，因此受到卡諾效率（在提取電力無限趨近於0時所能獲得的最大熱效率）和寇松-阿爾博恩效率（在提取電力最大化條件下的熱效率）等熱力學效率上限的限制。雖然也存在利用與熱平衡狀態不同的非熱平衡狀態來超越該上限的焦熱電引擎的研究報告，但許多非熱平衡狀態是人為製造的特殊狀態，難以直接應用於能量收集技術。
為此，研究團隊著眼於利用朝永-拉廷格液體作為熱輸送介質，可以容易地創建非熱平衡狀態，並保持該非熱平衡狀態進行熱輸送。
朝永-拉廷格液體為相輔作用的一維電子集體，電子之間強烈相輔作用，整體呈現出波的性質，非熱平衡狀態可以穩定存在。
在實驗中，研究團隊成功地將電晶體產生的廢熱導入朝永-拉廷格液體中，並將所生成的非熱平衡狀態輸送到使用量子點的焦熱電引擎中，並提取出了電子。
然後，研究團隊根據提取出的電子的量子點條件，評估了熱效率等焦熱電特性。
結果證實，與近似熱平衡狀態相比，通過使用非熱平衡狀態，可以獲得更高的發電電動勢（電壓），且最大熱效率更高，在最大功率時的熱效率也更高，從而實現了高效的焦熱電轉換。
研究團隊還發現，可以獲得超越卡諾效率和寇松-阿爾博恩效率等熱力學效率上限的高熱效率。
藤澤教授表示：「我認為，物性物理學研究的樂趣在於通過探索有趣的物質性質，可以實現新的功能，並為社會發展做出貢獻。本次內容展示了一維電子系的物質性質研究中，可以實現高焦熱電轉化效率。雖然現在的發電功率還很微小，但我相信通過追求更高的發電功率，未來有望應用於電子器件中的能量再利用。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Physics
論文：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
