De fleste batterier lagrer energi gjennom kjemiske prosesser. Kvantebatterier, derimot, lagrer energi i svært begeistrede tilstander av kvantesystemer. Forskere har foreslått en rekke forskjellige måter å implementere slike batterier på, og nyere fremskritt har skapt håp om at de kan hjelpe overgangen til mer bærekraftige energikilder. De kommer imidlertid med flere utfordringer, inkludert å finne enkle måter å frigjøre energien på og opprettholde riktig nivå av lagret energi.
Forskere fra Institute for Basic Science (IBS), Korea, i samarbeid med kolleger ved University of Insubria, Italia, har nå vist at kvantebatterier basert på mikromasere kan bidra til å overvinne noen av disse utfordringene. Mikromasere består av en strøm av atomer som samhandler med det elektromagnetiske feltet inne i et optisk hulrom. Energien i hulrommet øker med påfølgende interaksjoner til det platåerer på et visst nivå, og lader batteriet.
I det nye arbeidet demonstrerte IBS-Insubria-teamet at mikromasere, når de er ladet, når en nesten stabil tilstand, noe som betyr at energinivået deres ikke svinger betydelig over tidsskalaer som er relevante for systemet i teamets modell. Dette er viktig fordi det gjør det mulig å nøyaktig beregne batteriets ladetid. Med parametrene som er brukt i denne studien, nås steady-state-nivået etter ca. 30 interaksjoner, og energien forblir stabil i ca. 1 million ytterligere interaksjoner.
Nesten ren steady state
En annen fordel med denne nesten stabile tilstanden er at den er tilnærmet ren, noe som gjør det mulig å vurdere tilstanden til hulrommet uavhengig av tilstanden til atomene den har interagert med. Dette er overraskende, for etter mange kollisjoner kan man forvente at tilstanden til hulrommet ikke ville være ren, noe som gjør det umulig å maksimere mengden energi som trekkes ut fra batteriet uten også å samhandle med alle de kasserte atomene. IBS-Insubria-teamet viste imidlertid at mengden brukbar energi (kjent som batteriets ergotropi) fortsatt er høy.
Mikromaserens kvantedynamikk forhindrer også at batteriet overlades, sier Dario Rosa, en seniorforsker ved IBS som ledet studien. "I prinsippet kan systemet fortsette å øke i energi og kan bli uendelig," forklarer Rosa. "Uten ekstern kontroll øker ikke mikromaseren sin energi på ubestemt tid ved sin egen dynamikk." Dette gjør batteriet lettere å lade og forhindrer skade på maskinvaren fra overflødig energi.
I tillegg de nye resultatene, som teamet beskriver i journalen Kvantevitenskap og teknologi, viser at disse egenskapene holder seg under realistiske forhold (nemlig økt ladekraft og unøyaktigheter i de fysiske egenskapene til systemet) for klargjøring og drift av mikromaseren – og bringer modellen til et nyttig batteri nærmere det som er eksperimentelt oppnåelig.
Superposisjonsfordel
De positive resultatene angående mikromasere støttes av en relatert studie av en gruppe fra Universitetet i Genève, Sveits. Ledet av Stefan Nimmrichter viste denne gruppen at en enkelt mikromaser kan ha en fordel i forhold til klassiske enheter i sin ladekraft hvis atomene ankommer hulrommet i en kvantesuperposisjon. Tidligere hadde det bare vært kjent at ladekraft kan forbedres i forhold til klassiske systemer ved å kombinere mange kvantebatterier ved å bruke kvanteforviklinger.
Kvantebatteri kan få et løft fra sammenfiltring
Rosa sier at det er behov for ytterligere arbeid for å bedre forstå hvordan man kan kombinere mange individuelle mikromasere og optimalisere ytelsen når man skalerer opp systemet. "Med andre batterier har vi sett at ladekraften forbedres med flere batterier som lader sammen," sier han. "Vi vil vite om mikromasere har denne egenskapen."
For å gjøre modellen mer realistisk, er teamet nå interessert i hva som skjer når hulrommet er ufullkomment, noe som betyr at noe energi forsvinner. Hvis batteriet fungerer bra under disse forholdene, og bevarer funksjonene som allerede er sett i dette arbeidet, vil det åpne døren for potensielle eksperimentelle samarbeid, inkludert med andre fysikere i Italia eller gruppen i Genève.
