Enamik akusid salvestab energiat keemiliste protsesside kaudu. Kvantpatareid seevastu salvestavad energiat kvantsüsteemide väga ergastatud olekutes. Teadlased on pakkunud välja mitmeid erinevaid viise selliste patareide rakendamiseks ja hiljutised edusammud on tekitanud lootust, et need võivad aidata üleminekul säästvamatele energiaallikatele. Kuid nendega kaasnevad mitmed väljakutsed, sealhulgas lihtsate viiside leidmine energia vabastamiseks ja salvestatud energia õige taseme säilitamine.
Korea alusteaduste instituudi (IBS) teadlased koostöös Itaalia Insubria ülikooli kolleegidega on nüüdseks näidanud, et mikromaseritel põhinevad kvantpatareid võivad aidata mõnest neist väljakutsetest üle saada. Mikromaserid koosnevad aatomite voost, mis interakteeruvad optilise õõnsuse sees oleva elektromagnetväljaga. Õõnsuses olev energia suureneb järjestikuste interaktsioonidega, kuni see saavutab teatud taseme, laadides akut.
Uues töös näitas IBS-Insubria meeskond, et laaditud mikromaserid jõuavad peaaegu püsivasse olekusse, mis tähendab, et nende energiatase ei kõigu meeskonna mudelis oleva süsteemi jaoks olulise aja jooksul oluliselt. See on oluline, kuna võimaldab täpselt arvutada aku laadimisaega. Selles uuringus kasutatud parameetritega saavutatakse püsiseisundi tase ligikaudu 30 interaktsiooni järel ja energia jääb stabiilseks ligikaudu 1 miljoni edasise interaktsiooni jaoks.
Peaaegu puhas püsiseisund
Selle peaaegu püsiva oleku teine eelis on see, et see on ligikaudu puhas, mis võimaldab vaadelda õõnsuse olekut sõltumatult nende aatomite olekust, millega see on suhelnud. See on üllatav, sest pärast paljusid kokkupõrkeid võib eeldada, et õõnsuse olek ei ole puhas, mistõttu pole võimalik akust eraldatud energiahulka maksimeerida, ilma et oleks vaja suhelda ka kõigi äravisatud aatomitega. Siiski näitas IBS-Insubria meeskond, et kasutatava energia hulk (tuntud kui aku ergotroopia) on endiselt kõrge.
Mikromaseri kvantdünaamika takistab ka aku ülelaadimist, ütleb Dario Rosa, IBS-i vanemteadur, kes juhtis uuringut. "Põhimõtteliselt võib süsteem jätkata energia suurenemist ja muutuda lõpmatuks, " selgitab Rosa. "Ilma välise juhtimiseta ei suurenda mikromaser oma dünaamika tõttu oma energiat lõputult." See muudab aku laadimise lihtsamaks ja hoiab ära riistvara kahjustamise liigse energia tõttu.
Lisaks uued tulemused, mida meeskond ajakirjas kirjeldab Kvantteadus ja -tehnoloogia, näitavad, et need omadused kehtivad realistlikes tingimustes (nimelt suurenenud laadimisvõimsus ja süsteemi füüsikaliste omaduste ebatäpsused) mikromaseri ettevalmistamisel ja töötamisel – see toob kasuliku aku mudeli lähemale eksperimentaalselt saavutatavale.
Superpositsiooni eelis
Mikromaserite positiivseid tulemusi toetavad a seotud uuring Šveitsi Genfi ülikooli rühma poolt. Stefan Nimmrichteri juhitud rühm näitas, et ühel mikromaseril võib olla laadimisvõimsuses eelis klassikaliste seadmete ees, kui aatomid jõuavad õõnsusse kvantsuperpositsioonis. Varem oli teada vaid see, et laadimisvõimsust saab parandada võrreldes klassikaliste süsteemidega, kombineerides paljusid kvantpatareisid kvantpõimumise abil.
Kvantpatarei võib takerdumisest hoogu juurde saada
Rosa sõnul on vaja täiendavat tööd, et paremini mõista, kuidas kombineerida paljusid üksikuid mikromasereid ja optimeerida süsteemi suurendamisel jõudlust. "Teiste akude puhul oleme näinud, et laadimisvõimsus paraneb, kui rohkem akusid koos laaditakse," ütleb ta. "Me tahame teada, kas mikromaseritel on see omadus."
Mudeli realistlikumaks muutmiseks huvitab meeskond nüüd, mis juhtub, kui õõnsus on ebatäiuslik, mis tähendab, et osa energiast hajub. Kui aku töötab nendes tingimustes hästi, säilitades selles töös juba nähtud omadused, avaks see ukse võimalikuks eksperimentaalseks koostööks, sealhulgas teiste füüsikutega Itaalias või Genfi rühmaga.
