Kvantové jámy (quantum well) jsou stavy, v nichž se elektrony a elektronové díry volně pohybují ve dvou rozměrech. Ve zbývajícím rozměru to nejde, kvůli omezení vlnové funkce. Ve skutečnosti nejde o nic exotického. Kvantové jámy jsou k vidění třeba v polovodičích, dejme tomu, když je vrstva arsenidu gallitého umístěna mezi dvě vrstvy arsenidu hlinitého anebo vrstva směsi nitridu gallitého a nitridu inditého (InGaN) mezi dvě vrstvy nitridu gallitého. Široce se využívají v laserových diodách (neboli polovodičových laserech), tranzistorech s vysokou mobilitou elektronů (HEMT) anebo třeba v infračervených fotodetektorech.
Nedávno se objevil zajímavý nápad použít kvantové jámy jako sběrače tepelné energie, které pomocí termoelektrického jevu vytvoří z tepla elektřinu. Poslední dobou se objevují různé termoelektrické technologie pro pohánění celé škály malých elektrických spotřebičů. Vývojáři se snaží vyvinout účinné termolektrické sběrače energie, není to ale úplně snadné. Experimentují přitom s různými materiály, například i s kvantovými tečkami (quantum dot), což jsou vlastně nanokrystaly, které mohou mít polovodičové vlastnosti. Kvantové tečky mají ostře ohraničené energetické hladiny a proto jsou zajímavé i pro termoelektrická zařízení.
Bjӧrn Sothmann ze Ženevské univerzity s kolegy navrhuje, že by se v termoelektrických sběračích energie mohly uplatnit právě kvantové jámy. Jsou sice také z polovodičových materiálů, mají ale jinou strukturu než kvantové tečky a také jinak filtrují energii. Badatelé propočítali, že kvantové jámy mohou fungovat jako velmi účinné sběrače energie. Jejich průmyslová výroba by podle všeho byla snazší, než v případě kvantových teček a také by lépe pracovaly při pokojové teplotě.
Sothmann a spol. studovali design sběrače energie, který zahrnují centrální dutinu, spojenou kvantovými jámami se dvěma zásobníky elektronů. V centrální dutině je udržována o něco vyšší teplota než v zásobnících elektronů a kvantové jámy fungují jako filtr, který propustí jen elektrony o určité energii. Takový termoelektrický sběrač energie funguje tak, že s rostoucím rozdílem teplot mezi centrální dutinou a zásobníky elektronů roste i produkce elektrické energie. Sběrač energie s kvantovou jámou dosahuje výkonu kolem 0,18 W na centimetr čtvereční, při rozdílu teplot mezi dutinou a zásobníky 1 kelvin. Je to skoro dvakrát víc, než u sběračů energie založených na kvantových tečkách.
Pokud se vývojářům povede koncept sběračů energie s kvantovými jámami uspokojivě rozpracovat, nabízejí se četné zajímavé aplikace. Velmi rafinovaně a s překrásnou ironií by je bylo možné využít v elektrických obvodech, kde by překlápěly odpadní teplo důvěrně známé každému uživateli elektroniky, zpátky na využitelnou elektřinu. Zabili by tím dvě macaté mouchy jednou ranou – snížili by spotřebu elektřiny a také nároky na chlazení takové elektroniky. Badatelé doufají, že jejich studie povzbudí týmy experimentátorů, aby takové zařízení postavili a pořádně otestovali.
Literatura
Wikipedia (Quantun well, Thermoelectric effect).