De fleste batterier lagrer energi gennem kemiske processer. Kvantebatterier lagrer derimod energi i meget ophidsede tilstande af kvantesystemer. Forskere har foreslået en række forskellige måder at implementere sådanne batterier på, og de seneste fremskridt har givet håb om, at de kunne hjælpe med overgangen til mere bæredygtige energikilder. De kommer dog med flere udfordringer, herunder at finde nemme måder at frigive energien på og opretholde det korrekte niveau af lagret energi.
Forskere fra Institute for Basic Science (IBS), Korea, har i samarbejde med kolleger ved University of Insubria, Italien, nu vist, at kvantebatterier baseret på mikromasere kan hjælpe med at overvinde nogle af disse udfordringer. Mikromasere består af en strøm af atomer, der interagerer med det elektromagnetiske felt inde i et optisk hulrum. Energien i hulrummet stiger med successive interaktioner, indtil det plateaus på et vist niveau, oplader batteriet.
I det nye arbejde demonstrerede IBS-Insubria-teamet, at mikromasere, når de er opladet, når en næsten steady state, hvilket betyder, at deres energiniveau ikke svinger væsentligt over tidsskalaer, der er relevante for systemet i teamets model. Dette er vigtigt, fordi det gør det muligt præcist at beregne batteriets ladetid. Med parametrene brugt i denne undersøgelse nås steady-state niveauet efter ca. 30 interaktioner, og energien forbliver stabil i ca. 1 million yderligere interaktioner.
Næsten ren steady state
En anden fordel ved denne næsten steady state er, at den er tilnærmelsesvis ren, hvilket gør det muligt at betragte hulrummets tilstand uafhængigt af tilstanden af de atomer, som det har interageret med. Dette er overraskende, for efter mange kollisioner kunne man forvente, at hulrummets tilstand ikke ville være ren, hvilket gør det umuligt at maksimere mængden af energi, der udvindes fra batteriet uden også at interagere med alle de kasserede atomer. IBS-Insubria-teamet viste dog, at mængden af brugbar energi (kendt som batteriets ergotropi) forbliver høj.
Mikromaserens kvantedynamik forhindrer også batteriet i at overoplade, siger Dario Rosa, en seniorforsker ved IBS, der ledede undersøgelsen. "I princippet kunne systemet fortsætte med at stige i energi og kunne blive uendeligt," forklarer Rosa. "Uden nogen ekstern kontrol øger mikromaseren, ved sin egen dynamik, ikke sin energi i det uendelige." Dette gør batteriet lettere at oplade og forhindrer beskadigelse af hardwaren fra overskydende energi.
Derudover de nye resultater, som teamet beskriver i journalen Kvantevidenskab og -teknologi, viser, at disse egenskaber holder stik under realistiske forhold (nemlig øget ladeeffekt og unøjagtigheder i systemets fysiske egenskaber) til forberedelse og drift af mikromaseren – hvilket bringer modellen af et nyttigt batteri tættere på, hvad der er eksperimentelt opnåeligt.
Superposition fordel
De positive resultater vedrørende mikromasere understøttes af en relateret undersøgelse af en gruppe fra universitetet i Genève, Schweiz. Ledet af Stefan Nimmrichter viste denne gruppe, at en enkelt mikromaser kan have en fordel i forhold til klassiske enheder i sin opladningsevne, hvis atomerne ankommer til hulrummet i en kvantesuperposition. Tidligere havde det kun været kendt, at ladekraften kan forbedres i forhold til klassiske systemer ved at kombinere mange kvantebatterier ved hjælp af kvantesammenfiltring.
Kvantebatteri kunne få et løft fra sammenfiltring
Rosa siger, at der er behov for yderligere arbejde for bedre at forstå, hvordan man kombinerer mange individuelle mikromasere og optimerer ydeevnen, når systemet skal opskaleres. "Med andre batterier har vi set, at ladekraften forbedres, når flere batterier lader sammen," siger han. "Vi vil gerne vide, om mikromaskiner har denne egenskab."
For at gøre modellen mere realistisk er holdet nu interesseret i, hvad der sker, når hulrummet er ufuldkomment, hvilket betyder, at noget energi spredes. Hvis batteriet fungerer godt under disse forhold og bevare de funktioner, der allerede er set i dette arbejde, ville det åbne døren til potentielle eksperimentelle samarbejder, herunder med andre fysikere i Italien eller gruppen i Genève.
