La mayoría de las baterías almacenan energía a través de procesos químicos. Las baterías cuánticas, por el contrario, almacenan energía en estados altamente excitados de los sistemas cuánticos. Los investigadores han propuesto varias formas diferentes de implementar este tipo de baterías, y los avances recientes han generado esperanzas de que puedan ayudar en la transición hacia fuentes de energía más sostenibles. Sin embargo, vienen con varios desafíos, que incluyen encontrar formas fáciles de liberar la energía y mantener el nivel correcto de energía almacenada.
Investigadores del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) de Corea, en colaboración con colegas de la Universidad de Insubria, Italia, han demostrado ahora que las baterías cuánticas basadas en micromasers podrían ayudar a superar algunos de estos desafíos. Los micromasers consisten en una corriente de átomos que interactúan con el campo electromagnético dentro de una cavidad óptica. La energía en la cavidad aumenta con interacciones sucesivas hasta que se estanca en un cierto nivel, cargando la batería.
En el nuevo trabajo, el equipo de IBS-Insubria demostró que los micromasers, una vez cargados, alcanzan un estado casi estable, lo que significa que su nivel de energía no fluctúa significativamente en escalas de tiempo relevantes para el sistema en el modelo del equipo. Esto es importante porque permite calcular con precisión el tiempo de carga de la batería. Con los parámetros utilizados en este estudio, el nivel de estado estacionario se alcanza después de aproximadamente 30 interacciones y la energía permanece estable durante aproximadamente 1 millón de interacciones adicionales.
Estado estacionario casi puro
Otra ventaja de este estado casi estacionario es que es aproximadamente puro, lo que permite considerar el estado de la cavidad independientemente del estado de los átomos con los que ha interactuado. Esto es sorprendente, porque después de muchas colisiones uno podría esperar que el estado de la cavidad no fuera puro, haciendo imposible maximizar la cantidad de energía extraída de la batería sin interactuar también con todos los átomos desechados. Sin embargo, el equipo de IBS-Insubria demostró que la cantidad de energía utilizable (conocida como ergotropía de la batería) sigue siendo alta.
La dinámica cuántica del micromaser también evita que la batería se sobrecargue, dice dario rosa, investigador principal de IBS que dirigió el estudio. “En principio, el sistema podría seguir aumentando de energía y llegar a ser infinito”, explica Rosa. “Sin ningún control externo, el micromaser, por su propia dinámica, no aumenta su energía indefinidamente”. Esto hace que la batería sea más fácil de cargar y evita daños al hardware por exceso de energía.
Además, los nuevos resultados, que el equipo describe en la revista Ciencia y Tecnología Cuántica, muestran que estas características son ciertas en condiciones realistas (es decir, mayor potencia de carga e imprecisiones en las propiedades físicas del sistema) para la preparación y el funcionamiento del micromaser, acercando el modelo de una batería útil a lo que se puede lograr experimentalmente.
Ventaja de superposición
Los resultados positivos con respecto a los micromasers están respaldados por un estudio relacionado por un grupo de la Universidad de Ginebra, Suiza. Dirigido por Stefan Nimmrichter, este grupo demostró que un solo micromaser puede tener una ventaja sobre los dispositivos clásicos en su poder de carga si los átomos llegan a la cavidad en una superposición cuántica. Anteriormente, solo se sabía que la potencia de carga se puede mejorar con respecto a los sistemas clásicos combinando muchas baterías cuánticas mediante el entrelazamiento cuántico.
La batería cuántica podría recibir un impulso del enredo
Rosa dice que se necesita más trabajo para comprender mejor cómo combinar muchos micromasers individuales y optimizar el rendimiento al ampliar el sistema. “Con otras baterías, hemos visto que la potencia de carga mejora con más baterías cargándose juntas”, dice. “Queremos saber si los micromasers tienen esta propiedad”.
Para hacer que el modelo sea más realista, el equipo ahora está interesado en lo que sucede cuando la cavidad es imperfecta, lo que significa que se disipa algo de energía. Si la batería funciona bien en estas condiciones, conservando las características ya vistas en este trabajo, eso abriría la puerta a posibles colaboraciones experimentales, incluso con otros físicos en Italia o el grupo en Ginebra.
