Квантовые батареи могут обеспечить сверхбыструю зарядку и разрядку — и эта технология, похоже, стала на шаг ближе к реальности

Оригинал статьи

Экспериментальная, но полностью функционирующая система квантовой батареи, возможно, приблизила эту технологию на шаг к реальному применению. Эти квантовые устройства могут заряжаться и разряжаться подобно обычным батареям, но их скорость увеличивается по мере роста размера батареи.

Батареи, работающие за счёт использования квантовых эффектов, а не химических реакций — так называемые квантовые батареи — теоретически обладают множеством захватывающих свойств, включая сверхбыструю зарядку и разрядку. Однако до сих пор никому не удавалось создать действительно рабочую систему квантовой батареи — до настоящего момента.

«Ранее никто не создавал полностью функционирующую квантовую батарею, которая могла бы заряжаться, хранить энергию и разряжаться в одном устройстве. Наши устройства делают именно это», — говорит Джеймс Куач (James Quach) из Австралийской организации научных и промышленных исследований (CSIRO).

Батарея его команды представляет собой многослойное устройство, содержащее микрополость — крошечное пустое пространство — окружённую зеркалами, электродами и несколькими другими материалами. Внутри этой микрополости находятся молекулы, состоящие из меди, углерода, водорода и азота. Чтобы зарядить батарею, исследователи освещали её лазером. Под действием света молекулы переходили в более энергичное состояние, фактически накапливая часть энергии света.

Поскольку микрополость покрыта зеркалами, лазерный свет остаётся внутри неё, и квантовые состояния света и молекул переплетаются — то есть становятся запутанными, образуя взаимосвязь, не имеющую аналогов в обычных батареях. По словам Куача, именно это квантовое запутывание изменяет способ передачи энергии от света к молекулам: чем больше молекул в батарее, тем быстрее она заряжается.

Время зарядки оказалось обратно пропорциональным квадратному корню из числа молекул. Иными словами, если батарея, содержащая 10 000 молекул, заряжается за 1 секунду, то батарея с миллионом молекул зарядится всего за 0,1 секунды. Учёные протестировали устройства размером от 280 до 790 триллионов молекул, с временами зарядки, измеряемыми в миллионных долях миллиардной секунды. Та же закономерность наблюдалась и при разрядке батареи.

Добиться работы квантовой батареи при использовании такого огромного количества молекул — впечатляющее достижение, считает Феликс Биндер (Felix Binder) из Тринити-колледжа в Дублине. «Они демонстрируют квантовый эффект и показывают, что могут использовать его стабильно даже в крупном устройстве», — говорит он.

Тем не менее, пока неизвестно, как именно новую батарею можно будет применять с технологической пользой — пока неясно, сколько энергии она способна реально хранить и как её можно будет подключить к другим устройствам.

По мнению Куача, квантовые батареи могут произвести революцию во многих областях — от портативной электроники до систем хранения возобновляемой энергии — благодаря своей способности к сверхбыстрой зарядке и разрядке. Его команда уже работает над практическими реализациями таких решений. Сейчас перед ними стоят две главные задачи: увеличить объём энергии, который батарея способна удерживать, и научиться заряжать её с помощью солнечного света вместо лазера.

Квантовая физика нередко заставляет объекты вести себя, казалось бы, невозможным образом — например, проходить сквозь барьеры, словно их не существует, или существовать одновременно в двух и более местах. Теперь учёные использовали законы квантовой физики, чтобы создать батарею, обладающую эффектом сверхпоглощения (superabsorption), — то есть такую, которая поглощает энергию тем быстрее, чем больше становится.

Ранее учёные уже обнаруживали, что материя может вести себя коллективно и неожиданно под действием квантовых эффектов. Например, при явлении сверхизлучения (superradiance) группа атомов, получивших заряд энергии, может излучать импульс света гораздо большей интенсивности, чем если бы каждый атом излучал по отдельности.

В последние десять лет исследователи также доказали, что существует и обратный эффект — сверхпоглощение, когда атомы взаимодействуют друг с другом, усиливая способность к поглощению энергии. Однако до сих пор этот эффект наблюдался только в системах с небольшим числом атомов.

Теперь учёные разработали сверхпоглощающую квантовую батарею, которая требует тем меньше времени для зарядки, чем больше её размер.

«Потенциальные применения включают создание новых типов батарей, которые можно будет заряжать значительно быстрее», — объясняет ведущий автор исследования, теоретический физик Джеймс Куач (James Quach) из Университета Аделаиды (Австралия). — «Так же, как квантовые эффекты используются для ускорения вычислений в квантовых компьютерах, они могут применяться и для ускорения процессов передачи или накопления энергии».

Новое устройство представляет собой отражающую микрополость — тонкий «сэндвич» из зеркальных слоёв, внутри которого находится органический полупроводниковый краситель Lumogen F Orange. Исследователи заряжали эту систему лазером, а с помощью сверхбыстрых детекторов отслеживали, как краситель поглощает и хранит световую энергию с точностью до фемтосекунд. По мере увеличения размеров микрополости и количества молекул время зарядки уменьшалось.

Эффект сверхпоглощения возникает благодаря конструктивной интерференции — когда волны усиливают друг друга, создавая больший эффект, чем по отдельности. «Если волны движутся синхронно, то кластеры молекул поглощают свет гораздо эффективнее, чем отдельные молекулы», — поясняет Куач. — «Чем больше молекул, тем больше путей для конструктивного наложения волн».

Обычно квантовые системы, такие как квантовые компьютеры, теряют когерентность — согласованность квантовых состояний — из-за взаимодействия с внешней средой, что приводит к дестабилизации. Поэтому большинство квантовых экспериментов требуют строгой изоляции.

«Однако в нашем случае небольшая степень декогерентности — потери согласованности — наоборот, помогла стабилизировать энергию, накопленную в батарее», — отмечает Куач.

По сути, когерентность способствует быстрой зарядке, а декогерентность предотвращает столь же быструю разрядку. «Правильный баланс этих эффектов позволяет устройству поглощать свет с помощью квантовой интерференции, но при этом не терять энергию тем же путём», — добавляет он.

Хотя сохранение когерентности в больших квантовых системах остаётся сложной задачей, Куач оптимистичен: «Наша квантовая батарея менее чувствительна к воздействию окружающей среды, чем другие квантовые технологии, такие как квантовые компьютеры, поэтому мы надеемся масштабировать эксперимент до более крупных устройств».

Пока эти прототипы квантовых батарей заряжаются светом, но, по словам Куача, тот же эффект квантовой интерференции может быть использован и в других системах. «Следующий шаг — объединить наши результаты с другими методами хранения и передачи энергии, чтобы создать устройство, пригодное для практического применения. Главная задача сейчас — преодолеть разрыв между доказательством концепции на маленьком устройстве и применением тех же идей в больших, реально используемых системах».