Die meisten Batterien speichern Energie durch chemische Prozesse. Quantenbatterien hingegen speichern Energie in hoch angeregten Zuständen von Quantensystemen. Forscher haben eine Reihe verschiedener Möglichkeiten zur Implementierung solcher Batterien vorgeschlagen, und die jüngsten Fortschritte haben Hoffnungen geweckt, dass sie den Übergang zu nachhaltigeren Energiequellen unterstützen könnten. Sie sind jedoch mit mehreren Herausforderungen verbunden, darunter die Suche nach einfachen Wegen zur Freisetzung der Energie und die Aufrechterhaltung des richtigen Niveaus der gespeicherten Energie.
Forscher des Institute for Basic Science (IBS), Korea, haben nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der University of Insubria, Italien, gezeigt, dass Quantenbatterien auf der Basis von Mikromasern helfen könnten, einige dieser Herausforderungen zu bewältigen. Mikromaser bestehen aus einem Strom von Atomen, die mit dem elektromagnetischen Feld in einem optischen Hohlraum interagieren. Die Energie im Hohlraum steigt mit aufeinanderfolgenden Wechselwirkungen, bis sie auf einem bestimmten Niveau stagniert und die Batterie auflädt.
In der neuen Arbeit demonstrierte das IBS-Insubria-Team, dass Mikromaser, sobald sie aufgeladen sind, einen nahezu stationären Zustand erreichen, was bedeutet, dass ihr Energieniveau über Zeitskalen, die für das System im Modell des Teams relevant sind, nicht wesentlich schwankt. Das ist wichtig, denn damit lässt sich die Ladezeit des Akkus genau berechnen. Mit den in dieser Studie verwendeten Parametern wird das Steady-State-Niveau nach ungefähr 30 Interaktionen erreicht, und die Energie bleibt für ungefähr 1 Million weitere Interaktionen stabil.
Nahezu reiner stationärer Zustand
Ein weiterer Vorteil dieses fast stationären Zustands ist, dass er annähernd rein ist, was es ermöglicht, den Zustand des Hohlraums unabhängig vom Zustand der Atome zu betrachten, mit denen er interagiert hat. Dies ist überraschend, denn nach vielen Kollisionen könnte man erwarten, dass der Zustand des Hohlraums nicht rein wäre, was es unmöglich macht, die aus der Batterie extrahierte Energiemenge zu maximieren, ohne auch mit allen verworfenen Atomen zu interagieren. Das Team von IBS-Insubria zeigte jedoch, dass die Menge an nutzbarer Energie (bekannt als Ergotropie der Batterie) hoch bleibt.
Die Quantendynamik des Mikromasers verhindere zudem ein Überladen der Batterie, sagt er Dario Rosa, ein leitender Forscher bei IBS, der die Studie leitete. „Im Prinzip könnte das System weiter an Energie zunehmen und unendlich werden“, erklärt Rosa. „Ohne externe Steuerung erhöht der Mikromaser durch seine eigene Dynamik seine Energie nicht unbegrenzt.“ Das erleichtert das Aufladen des Akkus und verhindert Schäden an der Hardware durch überschüssige Energie.
Dazu kommen die neuen Ergebnisse, die das Team im Journal beschreibt Quantenwissenschaft und -technologie, zeigen, dass diese Eigenschaften unter realistischen Bedingungen (nämlich erhöhte Ladeleistung und Ungenauigkeiten in den physikalischen Eigenschaften des Systems) für die Herstellung und den Betrieb des Mikromasers gelten – was das Modell einer nützlichen Batterie dem experimentell Erreichbaren näher bringt.
Überlagerungsvorteil
Die positiven Ergebnisse bezüglich Mikromasern werden unterstützt durch a verwandte Studie von einer Gruppe der Universität Genf, Schweiz. Unter der Leitung von Stefan Nimmrichter zeigte diese Gruppe, dass ein einzelner Mikromaser einen Vorteil gegenüber klassischen Geräten in seiner Ladeleistung haben kann, wenn die Atome in einer Quantenüberlagerung an der Kavität ankommen. Bisher war nur bekannt, dass sich die Ladeleistung gegenüber klassischen Systemen verbessern lässt, indem man viele Quantenbatterien mittels Quantenverschränkung kombiniert.
Die Quantenbatterie könnte durch Verschränkung einen Schub bekommen
Rosa sagt, dass weitere Arbeit erforderlich ist, um besser zu verstehen, wie viele einzelne Mikromaser kombiniert und die Leistung beim Hochskalieren des Systems optimiert werden können. „Bei anderen Batterien haben wir gesehen, dass sich die Ladeleistung verbessert, wenn mehr Batterien zusammen geladen werden“, sagt er. „Wir wollen wissen, ob Mikromaser diese Eigenschaft haben.“
Um das Modell realistischer zu machen, interessiert sich das Team nun dafür, was passiert, wenn der Hohlraum nicht perfekt ist, was bedeutet, dass etwas Energie dissipiert wird. Wenn die Batterie unter diesen Bedingungen gut funktioniert und die bereits in dieser Arbeit beobachteten Merkmale beibehält, würde dies die Tür für potenzielle experimentelle Kooperationen öffnen, einschließlich mit anderen Physikern in Italien oder der Gruppe in Genf.
