La maggior parte delle batterie immagazzina energia attraverso processi chimici. Le batterie quantistiche, al contrario, immagazzinano energia negli stati altamente eccitati dei sistemi quantistici. I ricercatori hanno proposto una serie di modi diversi per implementare tali batterie e i recenti progressi hanno suscitato la speranza che possano aiutare la transizione verso fonti di energia più sostenibili. Tuttavia, presentano diverse sfide, tra cui trovare modi semplici per rilasciare l'energia e mantenere il corretto livello di energia immagazzinata.
I ricercatori dell'Istituto per le scienze di base (IBS), Corea, in collaborazione con i colleghi dell'Università dell'Insubria, in Italia, hanno ora dimostrato che le batterie quantistiche basate su micromaser potrebbero aiutare a superare alcune di queste sfide. I micromaser sono costituiti da un flusso di atomi che interagiscono con il campo elettromagnetico all'interno di una cavità ottica. L'energia nella cavità aumenta con le interazioni successive fino a raggiungere un certo livello, caricando la batteria.
Nel nuovo lavoro, il team di IBS-Insubria ha dimostrato che i micromaser, una volta carichi, raggiungono uno stato quasi stazionario, il che significa che il loro livello di energia non fluttua in modo significativo su scale temporali rilevanti per il sistema nel modello del team. Questo è importante perché permette di calcolare con precisione il tempo di ricarica della batteria. Con i parametri utilizzati in questo studio, il livello di stato stazionario viene raggiunto dopo circa 30 interazioni e l'energia rimane stabile per circa 1 milione di ulteriori interazioni.
Stato stazionario quasi puro
Un altro vantaggio di questo stato quasi stazionario è che è approssimativamente puro, il che consente di considerare lo stato della cavità indipendentemente dallo stato degli atomi con cui ha interagito. Questo è sorprendente, perché dopo molte collisioni ci si potrebbe aspettare che lo stato della cavità non sia puro, rendendo impossibile massimizzare la quantità di energia estratta dalla batteria senza interagire anche con tutti gli atomi scartati. Tuttavia, il team di IBS-Insubria ha dimostrato che la quantità di energia utilizzabile (nota come ergotropia della batteria) rimane elevata.
La dinamica quantistica del micromaser impedisce anche il sovraccarico della batteria, afferma Dario Rosa, ricercatore senior presso IBS che ha condotto lo studio. "In linea di principio, il sistema potrebbe continuare ad aumentare di energia e potrebbe diventare infinito", spiega Rosa. "Senza alcun controllo esterno, il micromaser, per sua stessa dinamica, non aumenta la sua energia indefinitamente." Ciò semplifica la ricarica della batteria e previene i danni all'hardware causati dall'energia in eccesso.
Inoltre, i nuovi risultati, che il team descrive nel diario Scienza e tecnologia quantistica, mostrano che queste caratteristiche sono valide in condizioni realistiche (vale a dire, maggiore potenza di carica e imprecisioni nelle proprietà fisiche del sistema) per la preparazione e il funzionamento del micromaser, avvicinando il modello di una batteria utile a ciò che è realizzabile sperimentalmente.
Vantaggio di sovrapposizione
I risultati positivi riguardanti i micromaser sono supportati da a studio correlato da un gruppo dell'Università di Ginevra, Svizzera. Guidato da Stefan Nimmrichter, questo gruppo ha dimostrato che un singolo micromaser può avere un vantaggio rispetto ai dispositivi classici nella sua potenza di carica se gli atomi arrivano nella cavità in una sovrapposizione quantistica. In precedenza, si sapeva solo che la potenza di carica può essere migliorata rispetto ai sistemi classici combinando molte batterie quantistiche usando l'entanglement quantistico.
La batteria quantistica potrebbe ottenere una spinta dall'entanglement
Rosa afferma che è necessario ulteriore lavoro per comprendere meglio come combinare molti singoli micromaser e ottimizzare le prestazioni durante l'espansione del sistema. "Con altre batterie, abbiamo visto che la potenza di carica migliora con più batterie che si caricano insieme", afferma. "Vogliamo sapere se i micromaser hanno questa proprietà".
Per rendere il modello più realistico, il team è ora interessato a cosa succede quando la cavità è imperfetta, il che significa che una parte dell'energia viene dissipata. Se la batteria si comporta bene in queste condizioni, preservando le caratteristiche già viste in questo lavoro, si aprirebbe la porta a potenziali collaborazioni sperimentali, anche con altri fisici in Italia o il gruppo a Ginevra.
