Useimmat akut varastoivat energiaa kemiallisten prosessien kautta. Kvanttiparistot sitä vastoin varastoivat energiaa kvanttijärjestelmien erittäin virittyneisiin tiloihin. Tutkijat ovat ehdottaneet useita erilaisia tapoja käyttää tällaisia akkuja, ja viimeaikaiset edistysaskeleet ovat herättäneet toiveita siitä, että ne voisivat auttaa siirtymistä kestävämpiin energialähteisiin. Heillä on kuitenkin useita haasteita, kuten helppojen tapojen löytäminen energian vapauttamiseksi ja varastoidun energian oikean tason ylläpitäminen.
Korean perustieteiden instituutin (IBS) tutkijat ovat yhteistyössä Italian Insubrian yliopiston kollegoiden kanssa nyt osoittaneet, että mikromaseriin perustuvat kvanttiparistot voivat auttaa selviytymään joistakin näistä haasteista. Mikromaserit koostuvat atomivirrasta, jotka ovat vuorovaikutuksessa optisen ontelon sisällä olevan sähkömagneettisen kentän kanssa. Onkalossa oleva energia kasvaa peräkkäisillä vuorovaikutuksilla, kunnes se tasaantuu tietylle tasolle ja lataa akkua.
Uudessa työssä IBS-Insubria-tiimi osoitti, että mikromaserit saavuttavat ladattuna lähes vakaan tilan, mikä tarkoittaa, että niiden energiataso ei vaihtele merkittävästi ryhmän mallin järjestelmän kannalta oleellisten aikaskaalojen aikana. Tämä on tärkeää, koska sen avulla on mahdollista laskea tarkasti akun latausaika. Tässä tutkimuksessa käytetyillä parametreilla vakaan tilan taso saavutetaan noin 30 vuorovaikutuksen jälkeen ja energia pysyy vakaana noin miljoonan muun vuorovaikutuksen ajan.
Lähes puhdas vakaa tila
Tämän lähes vakaan tilan toinen etu on, että se on suunnilleen puhdas, mikä mahdollistaa ontelon tilan tarkastelun riippumatta niiden atomien tilasta, joiden kanssa se on vuorovaikutuksessa. Tämä on yllättävää, koska monien törmäysten jälkeen voisi olettaa, että onkalon tila ei olisi puhdas, mikä tekee mahdottomaksi maksimoida akusta erotetun energian määrää ilman, että se on vuorovaikutuksessa kaikkien poistettujen atomien kanssa. IBS-Insubria-tiimi kuitenkin osoitti, että käyttökelpoisen energian määrä (tunnetaan akun ergotropiana) on edelleen korkea.
Mikromaserin kvanttidynamiikka estää myös akkua ylilatautumasta, sanoo Dario Rosa, IBS:n vanhempi tutkija, joka johti tutkimusta. "Periaatteessa järjestelmä voisi jatkaa energian kasvua ja muuttua äärettömäksi", Rosa selittää. "Ilman ulkoista ohjausta mikromaser ei omalla dynamiikallaan lisää energiaansa loputtomiin." Tämä helpottaa akun lataamista ja estää liiallisen energian aiheuttaman laitteiston vahingoittumisen.
Lisäksi uudet tulokset, joita tiimi kuvaa lehdessä Kvanttitiede ja teknologia, osoittavat, että nämä ominaisuudet pitävät paikkansa realistisissa olosuhteissa (eli lisääntynyt latausteho ja epätarkkuudet järjestelmän fysikaalisissa ominaisuuksissa) mikromaserin valmistelua ja käyttöä varten – mikä tuo hyödyllisen akun mallin lähemmäksi sitä, mikä on kokeellisesti saavutettavissa.
Superposition etu
Mikromaserien positiivisia tuloksia tukevat a liittyvä tutkimus ryhmä Geneven yliopistosta Sveitsistä. Stefan Nimmrichterin johtama ryhmä osoitti, että yhdellä mikromaserilla voi olla lataustehon suhteen etulyöntiasema verrattuna klassisiin laitteisiin, jos atomit saapuvat onteloon kvantisuperpositiossa. Aikaisemmin tiedettiin vain, että lataustehoa voidaan parantaa klassisiin järjestelmiin verrattuna yhdistämällä monia kvanttiakkuja kvanttitakailulla.
Kvanttiakku voi saada lisäpotkua sotkeutumisesta
Rosa sanoo, että lisätyötä tarvitaan ymmärtääkseen paremmin kuinka yhdistää useita yksittäisiä mikromasereja ja optimoida suorituskykyä järjestelmää skaalattaessa. "Muiden akkujen kohdalla olemme nähneet, että latausteho paranee, kun akkuja ladataan enemmän yhdessä", hän sanoo. "Haluamme tietää, onko mikromasereilla tämä ominaisuus."
Jotta malli olisi realistisempi, tiimi on nyt kiinnostunut siitä, mitä tapahtuu, kun onkalo on epätäydellinen, mikä tarkoittaa, että osa energiasta haihtuu. Jos akku toimii hyvin näissä olosuhteissa, säilyttäen tässä työssä jo nähdyt ominaisuudet, se avaa oven mahdollisille kokeellisille yhteistyölle, mukaan lukien muiden italialaisten fyysikkojen tai Geneven ryhmän kanssa.
