ほとんどのバッテリーは、化学プロセスによってエネルギーを蓄えます。 対照的に、量子電池は、量子系の高度に励起された状態にエネルギーを蓄えます。 研究者は、そのようなバッテリーを実装するさまざまな方法を提案しており、最近の進歩により、より持続可能なエネルギー源への移行を支援できるという期待が高まっています。 ただし、エネルギーを放出する簡単な方法を見つけたり、蓄積されたエネルギーの正しいレベルを維持したりするなど、いくつかの課題があります。
韓国の基礎科学研究所 (IBS) の研究者は、イタリアのインスブリア大学の同僚と協力して、マイクロメーザーに基づく量子電池がこれらの課題のいくつかを克服できることを示しました。 マイクロメーザーは、光学キャビティ内の電磁界と相互作用する原子の流れで構成されています。 空洞内のエネルギーは、一定のレベルで横ばいになるまで連続的な相互作用で増加し、バッテリーを充電します。
新しい研究では、IBS-Insubria チームは、マイクロメーザーが充電されると、ほぼ定常状態に達することを実証しました。これは、チームのモデルのシステムに関連するタイムスケールでエネルギーレベルが大きく変動しないことを意味します。 バッテリーの充電時間を正確に計算できるため、これは重要です。 この研究で使用されたパラメーターでは、約 30 回の相互作用の後に定常状態レベルに達し、さらに約 1 万回の相互作用の間、エネルギーは安定したままです。
ほぼ純粋な定常状態
このほぼ定常状態のもう XNUMX つの利点は、それがほぼ純粋であることです。これにより、相互作用した原子の状態から独立して空洞の状態を考慮することが可能になります。 これは驚くべきことです。多くの衝突の後、空洞の状態が純粋ではないことが予想されるため、廃棄されたすべての原子と相互作用せずにバッテリーから抽出されるエネルギーの量を最大化することは不可能になるからです。 ただし、IBS-Insubria チームは、使用可能なエネルギー量 (バッテリーのエルゴトロピーとして知られている) が高いままであることを示しました。
マイクロメーザーの量子ダイナミクスは、バッテリーの過充電も防ぎます。 ダリオ・ローザ、研究を主導したIBSの上級研究員。 「原則として、システムはエネルギーを増やし続け、無限になる可能性があります」と Rosa は説明します。 「外部制御がなければ、マイクロメーザーは、それ自体のダイナミクスによって、そのエネルギーを無期限に増加させることはありません。」 これにより、バッテリーの充電が容易になり、過剰なエネルギーによるハードウェアの損傷を防ぎます。
さらに、チームがジャーナルで説明している新しい結果 量子科学技術, これらの特性は、マイクロメーザーの準備と操作のための現実的な条件 (つまり、充電電力の増加とシステムの物理的特性の不正確さ) の下で成り立つことを示し、有用なバッテリーのモデルを実験的に達成可能なものに近づけます。
重ね合わせの利点
マイクロメーザーに関する肯定的な結果は、 関連研究 スイスのジュネーブ大学のグループによるものです。 Stefan Nimmrichter が率いるこのグループは、原子が量子重ね合わせで空洞に到達した場合、単一のマイクロメーザーが充電パワーにおいて従来のデバイスよりも優れていることを示しました。 以前は、量子エンタングルメントを使用して多くの量子電池を組み合わせることで、古典的なシステムよりも充電電力を改善できることしか知られていませんでした。
量子電池はもつれからブーストを得ることができます
Rosa は、多くの個々のマイクロメーザーを組み合わせて、システムをスケールアップするときにパフォーマンスを最適化する方法をよりよく理解するために、さらなる作業が必要であると述べています。 「他のバッテリーでは、より多くのバッテリーを一緒に充電すると充電電力が向上することがわかりました」と彼は言います。 「マイクロメーザーにこの特性があるかどうかを知りたいのです。」
モデルをより現実的なものにするために、チームはキャビティが不完全な場合、つまりエネルギーが散逸した場合に何が起こるかに関心を持っています。 バッテリーがこれらの条件下でうまく機能し、この研究ですでに見られた機能を維持する場合、イタリアの他の物理学者やジュネーブのグループを含む、潜在的な実験的コラボレーションへの扉が開かれます.
