A maioria das baterias armazena energia por meio de processos químicos. As baterias quânticas, por outro lado, armazenam energia em estados altamente excitados de sistemas quânticos. Os investigadores propuseram uma série de diferentes formas de implementar essas baterias, e os avanços recentes aumentaram a esperança de que pudessem ajudar na transição para fontes de energia mais sustentáveis. No entanto, eles apresentam vários desafios, incluindo encontrar maneiras fáceis de liberar a energia e manter o nível correto de energia armazenada.
Pesquisadores do Instituto de Ciências Básicas (IBS), da Coreia, em colaboração com colegas da Universidade de Insubria, na Itália, mostraram agora que baterias quânticas baseadas em micromasers podem ajudar a superar alguns desses desafios. Micromasers consistem em um fluxo de átomos que interagem com o campo eletromagnético dentro de uma cavidade óptica. A energia na cavidade aumenta com interações sucessivas até atingir um determinado nível, carregando a bateria.
No novo trabalho, a equipa IBS-Insubria demonstrou que os micromasers, uma vez carregados, atingem um estado quase estacionário, o que significa que o seu nível de energia não flutua significativamente ao longo de escalas de tempo relevantes para o sistema no modelo da equipa. Isto é importante porque permite calcular com precisão o tempo de carregamento da bateria. Com os parâmetros utilizados neste estudo, o nível de estado estacionário é alcançado após aproximadamente 30 interações, e a energia permanece estável por aproximadamente 1 milhão de interações adicionais.
Estado estacionário quase puro
Outra vantagem deste estado quase estacionário é que ele é aproximadamente puro, o que permite considerar o estado da cavidade independentemente do estado dos átomos com os quais interagiu. Isto é surpreendente, porque após muitas colisões seria de esperar que o estado da cavidade não fosse puro, impossibilitando maximizar a quantidade de energia extraída da bateria sem interagir também com todos os átomos descartados. No entanto, a equipa do IBS-Insubria mostrou que a quantidade de energia utilizável (conhecida como ergotropia da bateria) permanece elevada.
A dinâmica quântica do micromaser também evita a sobrecarga da bateria, diz Dário Rosa, pesquisador sênior do IBS que liderou o estudo. “Em princípio, o sistema poderia continuar a aumentar em energia e tornar-se infinito”, explica Rosa. “Sem qualquer controle externo, o micromaser, por sua própria dinâmica, não aumenta sua energia indefinidamente.” Isso facilita o carregamento da bateria e evita danos ao hardware devido ao excesso de energia.
Além disso, os novos resultados, que a equipe descreve na revista Ciência e Tecnologia Quântica, mostram que estas características são verdadeiras em condições realistas (nomeadamente, aumento da potência de carga e imprecisões nas propriedades físicas do sistema) para a preparação e operação do micromaser – aproximando o modelo de uma bateria útil do que é experimentalmente alcançável.
Vantagem de superposição
Os resultados positivos em relação aos micromasers são apoiados por um estudo relacionado por um grupo da Universidade de Genebra, Suíça. Liderado por Stefan Nimmrichter, este grupo mostrou que um único micromaser pode ter uma vantagem sobre os dispositivos clássicos no seu poder de carga se os átomos chegarem à cavidade em uma superposição quântica. Anteriormente, só se sabia que a potência de carregamento pode ser melhorada em relação aos sistemas clássicos combinando muitas baterias quânticas usando emaranhamento quântico.
A bateria quântica pode ser impulsionada pelo emaranhamento
Rosa diz que mais trabalho é necessário para entender melhor como combinar muitos micromasers individuais e otimizar o desempenho ao ampliar o sistema. “Com outras baterias, vimos que a potência de carregamento melhora com mais baterias sendo carregadas juntas”, diz ele. “Queremos saber se os micromasers possuem essa propriedade.”
Para tornar o modelo mais realista, a equipe está agora interessada no que acontece quando a cavidade é imperfeita, o que significa que alguma energia é dissipada. Se a bateria funcionar bem nestas condições, preservando as características já vistas neste trabalho, isso abriria a porta para potenciais colaborações experimentais, inclusive com outros físicos na Itália ou com o grupo em Genebra.
