A legtöbb akkumulátor kémiai folyamatok révén tárolja az energiát. Ezzel szemben a kvantumelemek energiát tárolnak a kvantumrendszerek erősen gerjesztett állapotában. A kutatók számos különböző módot javasoltak az ilyen akkumulátorok megvalósítására, és a közelmúltban elért eredmények felkeltették a reményt, hogy segíthetnek a fenntarthatóbb energiaforrásokra való átállásban. Azonban számos kihívással járnak, beleértve az energia felszabadításának egyszerű módját és a tárolt energia megfelelő szintjének fenntartását.
A koreai Institute for Basic Science (IBS) kutatói az olaszországi Insubria Egyetem munkatársaival együttműködve kimutatták, hogy a mikromasereken alapuló kvantumelemek segíthetnek leküzdeni ezeket a kihívásokat. A mikromázerek olyan atomok áramából állnak, amelyek kölcsönhatásba lépnek az optikai üregben lévő elektromágneses mezővel. Az üregben lévő energia az egymást követő kölcsönhatásokkal növekszik, amíg egy bizonyos szintre nem emelkedik, feltöltve az akkumulátort.
Az új munkában az IBS-Insubria csapata bebizonyította, hogy a mikromaserek, miután feltöltötték, szinte állandósult állapotba kerülnek, ami azt jelenti, hogy energiaszintjük nem ingadozik jelentősen a csapat modelljében szereplő rendszer szempontjából releváns időskálák során. Ez azért fontos, mert lehetővé teszi az akkumulátor töltési idejének pontos kiszámítását. A tanulmányban használt paraméterekkel az egyensúlyi szintet körülbelül 30 kölcsönhatás után érjük el, és az energia körülbelül 1 millió további kölcsönhatásig stabil marad.
Szinte tiszta állandósult állapot
Ennek a szinte állandósult állapotnak másik előnye, hogy megközelítőleg tiszta, ami lehetővé teszi, hogy az üreg állapotát az atomok állapotától függetlenül vizsgáljuk, amelyekkel kölcsönhatásba került. Ez azért meglepő, mert sok ütközés után arra számíthatunk, hogy az üreg állapota nem lesz tiszta, és lehetetlenné teszi az akkumulátorból kinyert energia mennyiségének maximalizálását anélkül, hogy az összes kidobott atommal kölcsönhatásba lépne. Az IBS-Insubria csapata azonban kimutatta, hogy a felhasználható energia mennyisége (az akkumulátor ergotrópiája) továbbra is magas.
A mikromaser kvantumdinamikája megakadályozza az akkumulátor túltöltését is, mondja Dario Rosa, az IBS vezető kutatója, aki a tanulmányt vezette. „Elvileg a rendszer folyamatosan növekszik az energiában, és végtelenné válhat” – magyarázza Rosa. "Külső vezérlés nélkül a mikromaser a saját dinamikájánál fogva nem növeli a végtelenségig az energiáját." Ez megkönnyíti az akkumulátor töltését, és megakadályozza a hardver károsodását a felesleges energia miatt.
Ezenkívül az új eredményeket, amelyeket a csapat a folyóiratban ismertet Kvantumtudomány és technológia, megmutatják, hogy ezek a tulajdonságok reális körülmények között (nevezetesen a megnövekedett töltési teljesítmény és a rendszer fizikai tulajdonságainak pontatlansága) igazak a mikromaser előkészítésére és működésére – ezzel közelebb hozva egy hasznos akkumulátor modelljét a kísérletileg megvalósíthatóhoz.
Szuperpozíciós előny
A mikromázerekkel kapcsolatos pozitív eredményeket alátámasztja a kapcsolódó tanulmány a svájci Genfi Egyetem egyik csoportja. Stefan Nimmrichter vezetésével ez a csoport kimutatta, hogy egyetlen mikromázer előnyt jelenthet a klasszikus eszközökkel szemben a töltőképességében, ha az atomok kvantum-szuperpozícióban érkeznek az üregbe. Korábban csak az volt ismert, hogy a töltési teljesítmény a klasszikus rendszerekhez képest javítható, ha sok kvantumelemet kvantumösszefonódással kombinálnak.
A kvantum akkumulátor lendületet kaphat az összefonódástól
Rosa szerint további munkára van szükség ahhoz, hogy jobban megértsük, hogyan lehet több egyedi mikromasert kombinálni, és hogyan lehet optimalizálni a teljesítményt a rendszer méretezésekor. „Más akkumulátorok esetében azt láttuk, hogy a töltési teljesítmény javul, ha több akkumulátort töltenek együtt” – mondja. "Azt akarjuk tudni, hogy a mikromaserek rendelkeznek-e ezzel a tulajdonsággal."
A modell valósághűbbé tétele érdekében a csapatot most az érdekli, hogy mi történik, ha az üreg tökéletlen, vagyis az energia egy része eloszlik. Ha az akkumulátor ilyen körülmények között jól működik, megőrizve a jelen munkában már látott jellemzőket, ez megnyitná a kaput a lehetséges kísérleti együttműködések előtt, beleértve más olasz fizikusokkal vagy a genfi csoporttal.
