Οι περισσότερες μπαταρίες αποθηκεύουν ενέργεια μέσω χημικών διεργασιών. Οι κβαντικές μπαταρίες, αντίθετα, αποθηκεύουν ενέργεια σε εξαιρετικά διεγερμένες καταστάσεις κβαντικών συστημάτων. Οι ερευνητές έχουν προτείνει διάφορους διαφορετικούς τρόπους για την εφαρμογή τέτοιων μπαταριών και οι πρόσφατες εξελίξεις έχουν δημιουργήσει ελπίδες ότι θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη μετάβαση σε πιο βιώσιμες πηγές ενέργειας. Ωστόσο, έρχονται με πολλές προκλήσεις, όπως η εύρεση εύκολων τρόπων απελευθέρωσης της ενέργειας και η διατήρηση του σωστού επιπέδου αποθηκευμένης ενέργειας.
Ερευνητές από το Ινστιτούτο Βασικής Επιστήμης (IBS), Κορέα, σε συνεργασία με συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο της Insubria, στην Ιταλία, έχουν πλέον δείξει ότι οι κβαντικές μπαταρίες που βασίζονται σε μικρομάζερ θα μπορούσαν να βοηθήσουν να ξεπεραστούν ορισμένες από αυτές τις προκλήσεις. Οι μικρομάζερες αποτελούνται από ένα ρεύμα ατόμων που αλληλεπιδρούν με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μέσα σε μια οπτική κοιλότητα. Η ενέργεια στην κοιλότητα αυξάνεται με διαδοχικές αλληλεπιδράσεις μέχρι να φτάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο, φορτίζοντας την μπαταρία.
Στη νέα εργασία, η ομάδα του IBS-Insubria έδειξε ότι οι micromasers, μόλις φορτιστούν, φτάνουν σε μια σχεδόν σταθερή κατάσταση, πράγμα που σημαίνει ότι το επίπεδο ενέργειας τους δεν κυμαίνεται σημαντικά σε χρονικά διαστήματα που σχετίζονται με το σύστημα στο μοντέλο της ομάδας. Αυτό είναι σημαντικό γιατί καθιστά δυνατό τον ακριβή υπολογισμό του χρόνου φόρτισης της μπαταρίας. Με τις παραμέτρους που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη μελέτη, το επίπεδο σταθερής κατάστασης επιτυγχάνεται μετά από περίπου 30 αλληλεπιδράσεις και η ενέργεια παραμένει σταθερή για περίπου 1 εκατομμύριο περαιτέρω αλληλεπιδράσεις.
Σχεδόν καθαρή σταθερή κατάσταση
Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτής της σχεδόν σταθερής κατάστασης είναι ότι είναι περίπου καθαρό, γεγονός που καθιστά δυνατή την εξέταση της κατάστασης της κοιλότητας ανεξάρτητα από την κατάσταση των ατόμων με τα οποία έχει αλληλεπιδράσει. Αυτό είναι εκπληκτικό, γιατί μετά από πολλές συγκρούσεις θα περίμενε κανείς ότι η κατάσταση της κοιλότητας δεν θα ήταν καθαρή, καθιστώντας αδύνατη τη μεγιστοποίηση της ποσότητας ενέργειας που εξάγεται από την μπαταρία χωρίς επίσης να αλληλεπιδράσει με όλα τα απορριπτόμενα άτομα. Ωστόσο, η ομάδα IBS-Insubria έδειξε ότι η ποσότητα της χρησιμοποιήσιμης ενέργειας (γνωστή ως εργοτροπία της μπαταρίας) παραμένει υψηλή.
Η κβαντική δυναμική του micromaser εμποδίζει επίσης την υπερφόρτιση της μπαταρίας, λέει Ντάριο Ρόζα, ανώτερος ερευνητής στο IBS που ηγήθηκε της μελέτης. «Καταρχήν, το σύστημα θα μπορούσε να συνεχίσει να αυξάνεται σε ενέργεια και θα μπορούσε να γίνει άπειρο», εξηγεί η Rosa. «Χωρίς εξωτερικό έλεγχο, ο μικρομέιζερ, από τη δική του δυναμική, δεν αυξάνει την ενέργειά του επ’ αόριστον». Αυτό διευκολύνει τη φόρτιση της μπαταρίας και αποτρέπει τη ζημιά στο υλικό από την υπερβολική ενέργεια.
Επιπλέον, τα νέα αποτελέσματα, τα οποία η ομάδα περιγράφει στο περιοδικό Κβαντική Επιστήμη και Τεχνολογία, δείχνουν ότι αυτά τα χαρακτηριστικά ισχύουν υπό ρεαλιστικές συνθήκες (δηλαδή, αυξημένη ισχύς φόρτισης και ανακρίβειες στις φυσικές ιδιότητες του συστήματος) για την προετοιμασία και τη λειτουργία του μικρομέιζερ - φέρνοντας το μοντέλο μιας χρήσιμης μπαταρίας πιο κοντά σε αυτό που είναι πειραματικά εφικτό.
Πλεονέκτημα υπέρθεσης
Τα θετικά αποτελέσματα όσον αφορά τα micromasers υποστηρίζονται από α σχετική μελέτη από μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης, Ελβετία. Με επικεφαλής τον Stefan Nimmrichter, αυτή η ομάδα έδειξε ότι ένας μόνο μικρομέιζερ μπορεί να έχει πλεονέκτημα έναντι των κλασικών συσκευών ως προς την ισχύ φόρτισής του εάν τα άτομα φτάσουν στην κοιλότητα σε μια κβαντική υπέρθεση. Προηγουμένως, ήταν γνωστό μόνο ότι η ισχύς φόρτισης μπορεί να βελτιωθεί σε σχέση με τα κλασικά συστήματα συνδυάζοντας πολλές κβαντικές μπαταρίες χρησιμοποιώντας κβαντική εμπλοκή.
Η κβαντική μπαταρία θα μπορούσε να πάρει ώθηση από την εμπλοκή
Η Rosa λέει ότι χρειάζεται περαιτέρω δουλειά για την καλύτερη κατανόηση του τρόπου συνδυασμού πολλών μεμονωμένων micromasers και βελτιστοποίησης της απόδοσης κατά την κλιμάκωση του συστήματος. «Με άλλες μπαταρίες, έχουμε δει ότι η ισχύς φόρτισης βελτιώνεται με περισσότερες μπαταρίες που φορτίζονται μαζί», λέει. «Θέλουμε να μάθουμε αν οι μικρομέιζερ έχουν αυτή την ιδιότητα».
Για να γίνει το μοντέλο πιο ρεαλιστικό, η ομάδα ενδιαφέρεται τώρα για το τι συμβαίνει όταν η κοιλότητα είναι ατελής, που σημαίνει ότι κάποια ενέργεια διαχέεται. Εάν η μπαταρία λειτουργεί καλά κάτω από αυτές τις συνθήκες, διατηρώντας τα χαρακτηριστικά που έχουν ήδη δει σε αυτό το έργο, αυτό θα άνοιγε την πόρτα σε πιθανές πειραματικές συνεργασίες, μεταξύ άλλων με άλλους φυσικούς στην Ιταλία ή την ομάδα στη Γενεύη.
