刚刚，热力学要变天？日本发明量子热机，一举突破卡诺效率极限！

卡诺效率，这个在物理教科书上躺了近200年的热力学神圣定律，今天可能被一道来自量子世界的“幽灵”撼动了。

这不仅仅是一次实验的成功，它更可能为我们这个被废热和能耗困扰的世界，打开了一扇通往全新能源利用方式的大门。未来你的手机、电脑甚至量子计算机产生的废热，可能不再是烫手的烦恼，而是可以被高效回收，变成驱动自身的电能。

这项颠覆性的研究成果，由东京科学大学藤泽俊昌教授团队主导，发表在2025年9月30日《自然》旗下期刊《通讯物理学》上。

一、无处可逃的“热力诅咒”

故事要从一个我们每个人都无比熟悉的场景说起：你的手机发烫了。

从宇宙大爆炸到你手里的咖啡，万事万物都遵循着一个古老而霸道的法则——热力学定律。其中最令人无奈的一条，就是能量转换的“过路费”：只要你想把热量转化成有用的功（比如电），就必须付出一大笔“熵增”的代价，永远无法100%转换。

这个极限的最高天花板，就是大名鼎鼎的“卡诺效率”。它像一道无形的铁幕，宣告着所有热机的宿命：总有大部分热量会被浪费掉。

无数天才尝试挑战它，但都无功而返。这个定律，仿佛是宇宙本身设下的一个无法破解的诅咒。难道，我们真的只能眼睁睁看着巨量的能量以废热的形式白白流失吗？

二、一个“不合群”的量子怪胎

就在所有人以为这条路走到尽头时，一群日本科学家将目光投向了微观世界的深处，一个连名字都透着神秘的地方——量子霍尔效应体系。在那里，他们发现了一个“不合群的怪胎”：朝永-拉廷格液体（Tomonaga-Luttinger liquid）。

它到底有多怪？

正常世界里，你把一滴热水滴进冷水，热量会迅速散开，直到整杯水温度一样，这个过程叫“热化”。这是常识，是本能。

但这种“液体”偏不！由于奇特的量子效应，它几乎拒绝热化。当一股热量被注入其中，它不会傻傻地均分能量，而是会让这股热量以一种高度有序、高能量的“非热”状态，像一颗精准制导的子弹一样向前冲。

这就好比，一群普通人拿到奖金会吃喝玩乐挥霍掉（热化），而这个量子怪胎拿到奖金，会把钱原封不动地直接送去投资（非热传输）。

科学家们立刻意识到：这东西，可能就是为打破热力诅咒而生的完美信使！

三、史上最小的“量子引擎”

一个疯狂的计划诞生了。他们搭建了一套精密的“量子热回路”：

造热：用一个“量子点接触”晶体管当“锅炉”，持续产生废热。

送信：让前面提到的朝永-拉廷格液体充当“快递员”，将这股“非热”的能量打包送出。

发电：在几微米外，安放一个被称为“量子点”的微型设备，它就是这次实验的主角——量子热机。

实验开始了。他们先用接近传统方式的“准热化”能量去驱动量子点热机，得到了一组效率数据。然后，换上那个不合群的“快递员”——携带“非热”能量的朝永-拉廷格液体。

结果令人震惊。

在注入几乎相同的热量下，非热液体驱动的量子热机，产生了远超传统方式的电压和转换效率

数据显示，它的电动势比参照组高出一倍以上，理想化效率在多个维度上都实现了超越。

一直以来限制着人类的热力学铁幕，就这样被撕开了一道口子。这个结果直接表明，利用非热量子态，热能转换的效率可以超越传统热力学设定的极限。

四、为什么会这样？

研究团队建立了一个“二元费米分布”模型来解释这个现象

通俗点说，普通的热像一锅温度均匀的汤，能量高低全凭概率，比较“懒散”。而非热状态下的能量，则像一支纪律严明的特种部队，其中包含着远超平均水平的“高能粒子尖兵”。量子热机正是利用了这些“尖兵”，才做出了远超“懒散”能量所能做的功。

这项研究不仅在实验上取得了突破，更重要的是，它为我们指明了一条全新的道路：不要让你的能量“热化”。通过驾驭这些奇特的非平衡量子态，我们或许能开启一个能源利用效率极高的全新纪元。

正如藤泽教授所言：我们的发现表明，来自量子计算机和电子设备的废热，可以通过高性能的能量收集技术转化为有用的电力。

或许有一天，我们不再需要为设备的散热而烦恼，因为每一份热，都将是宝贵的能量源泉。宇宙的法则依然存在，但人类，又一次在微观世界里找到了驾驭它的新钥匙。

参考文献:

Yamazaki, H., Uemura, M., Tanaka, H. et al. Efficient heat-energy conversion from a non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid. Commun Phys 8, 387 (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02297-6