De meeste batterijen slaan energie op via chemische processen. Quantumbatterijen slaan daarentegen energie op in zeer opgewonden toestanden van kwantumsystemen. Onderzoekers hebben een aantal verschillende manieren voorgesteld om dergelijke batterijen te implementeren, en recente ontwikkelingen hebben de hoop gewekt dat ze de overgang naar meer duurzame energiebronnen zouden kunnen helpen. Ze komen echter met verschillende uitdagingen, waaronder het vinden van eenvoudige manieren om de energie vrij te geven en het juiste niveau van opgeslagen energie te behouden.
Onderzoekers van het Institute for Basic Science (IBS), Korea, hebben in samenwerking met collega's van de Universiteit van Insubria, Italië, nu aangetoond dat kwantumbatterijen op basis van micromasers een aantal van deze uitdagingen kunnen helpen overwinnen. Micromasers bestaan uit een stroom van atomen die interageren met het elektromagnetische veld in een optische holte. De energie in de holte neemt toe met opeenvolgende interacties totdat deze op een bepaald niveau stopt, waardoor de batterij wordt opgeladen.
In het nieuwe werk toonde het IBS-Insubria-team aan dat micromasers, eenmaal opgeladen, een bijna stabiele toestand bereiken, wat betekent dat hun energieniveau niet significant fluctueert over tijdschalen die relevant zijn voor het systeem in het teammodel. Dit is belangrijk omdat het mogelijk is om de oplaadtijd van de batterij nauwkeurig te berekenen. Met de parameters die in deze studie zijn gebruikt, wordt het steady-state niveau bereikt na ongeveer 30 interacties en blijft de energie stabiel voor ongeveer 1 miljoen verdere interacties.
Bijna pure stationaire toestand
Een ander voordeel van deze bijna stabiele toestand is dat het ongeveer zuiver is, wat het mogelijk maakt om de toestand van de holte onafhankelijk te beschouwen van de toestand van de atomen waarmee het een wisselwerking heeft gehad. Dit is verrassend, omdat je na vele botsingen zou verwachten dat de toestand van de holte niet zuiver zou zijn, waardoor het onmogelijk is om de hoeveelheid energie die uit de batterij wordt gehaald te maximaliseren zonder ook interactie met alle afgedankte atomen. Het IBS-Insubria-team toonde echter aan dat de hoeveelheid bruikbare energie (bekend als de ergotropie van de batterij) hoog blijft.
De kwantumdynamiek van de micromaser voorkomt ook dat de batterij wordt overladen, zegt Dario Rosa, een senior onderzoeker bij IBS die de studie leidde. "In principe zou het systeem in energie kunnen blijven toenemen en oneindig kunnen worden", legt Rosa uit. "Zonder enige externe controle verhoogt de micromaser, door zijn eigen dynamiek, zijn energie niet oneindig." Hierdoor is de accu makkelijker op te laden en wordt schade aan de hardware door overtollige energie voorkomen.
Bovendien zijn de nieuwe resultaten, die het team in het tijdschrift beschrijft, Kwantumwetenschap en technologie, laten zien dat deze kenmerken gelden onder realistische omstandigheden (namelijk verhoogd laadvermogen en onnauwkeurigheden in de fysieke eigenschappen van het systeem) voor de voorbereiding en werking van de micromaser - waardoor het model van een bruikbare batterij dichter bij wat experimenteel haalbaar is.
Superpositie voordeel
De positieve resultaten met betrekking tot micromasers worden ondersteund door een gerelateerde studie door een groep van de Universiteit van Genève, Zwitserland. Onder leiding van Stefan Nimmrichter toonde deze groep aan dat een enkele micromaser een voordeel kan hebben ten opzichte van klassieke apparaten in zijn laadvermogen als de atomen in een kwantumsuperpositie bij de holte aankomen. Voorheen was alleen bekend dat het laadvermogen kan worden verbeterd ten opzichte van klassieke systemen door veel kwantumbatterijen te combineren met behulp van kwantumverstrengeling.
Quantumbatterij kan een boost krijgen door verstrikking
Rosa zegt dat er meer werk nodig is om beter te begrijpen hoe veel individuele micromasers kunnen worden gecombineerd en hoe de prestaties kunnen worden geoptimaliseerd bij het opschalen van het systeem. "Bij andere batterijen hebben we gezien dat het laadvermogen verbetert naarmate meer batterijen samen worden opgeladen", zegt hij. "We willen weten of micromasers deze eigenschap hebben."
Om het model realistischer te maken, is het team nu geïnteresseerd in wat er gebeurt als de holte onvolmaakt is, wat betekent dat er wat energie wordt gedissipeerd. Als de batterij onder deze omstandigheden goed presteert, met behoud van de kenmerken die al in dit werk zijn gezien, zou dat de deur openen naar mogelijke experimentele samenwerkingen, inclusief met andere natuurkundigen in Italië of de groep in Genève.
