Majoritatea bateriilor stochează energie prin procese chimice. Bateriile cuantice, în schimb, stochează energie în stări extrem de excitate ale sistemelor cuantice. Cercetătorii au propus o serie de moduri diferite de implementare a acestor baterii, iar progresele recente au ridicat speranțe că ar putea ajuta tranziția către surse de energie mai durabile. Cu toate acestea, ele vin cu mai multe provocări, inclusiv găsirea unor modalități ușoare de a elibera energia și menținerea nivelului corect de energie stocată.
Cercetătorii de la Institute for Basic Science (IBS), Coreea, în colaborare cu colegii de la Universitatea din Insubria, Italia, au arătat acum că bateriile cuantice bazate pe micromasere ar putea ajuta la depășirea unora dintre aceste provocări. Micromaserii constau dintr-un flux de atomi care interacționează cu câmpul electromagnetic din interiorul unei cavități optice. Energia din cavitate crește odată cu interacțiunile succesive până la platouri la un anumit nivel, încărcând bateria.
În noua lucrare, echipa IBS-Insubria a demonstrat că micromaserele, odată încărcate, ajung la o stare aproape staționară, ceea ce înseamnă că nivelul lor de energie nu fluctuează semnificativ pe intervale de timp relevante pentru sistemul din modelul echipei. Acest lucru este important deoarece face posibilă calcularea cu precizie a timpului de încărcare a bateriei. Cu parametrii utilizați în acest studiu, nivelul de echilibru este atins după aproximativ 30 de interacțiuni, iar energia rămâne stabilă pentru aproximativ 1 milion de interacțiuni suplimentare.
Stare de echilibru aproape pură
Un alt avantaj al acestei stări aproape de echilibru este că este aproximativ pură, ceea ce face posibilă luarea în considerare a stării cavității independent de starea atomilor cu care a interacționat. Acest lucru este surprinzător, deoarece după multe ciocniri ne-am putea aștepta ca starea cavității să nu fie pură, ceea ce face imposibilă maximizarea cantității de energie extrasă din baterie fără a interacționa și cu toți atomii aruncați. Cu toate acestea, echipa IBS-Insubria a arătat că cantitatea de energie utilizabilă (cunoscută sub numele de ergotropia bateriei) rămâne mare.
Dinamica cuantică a micromaserului previne, de asemenea, supraîncărcarea bateriei, spune Dario Rosa, un cercetător senior la IBS care a condus studiul. „În principiu, sistemul ar putea continua să crească în energie și ar putea deveni infinit”, explică Rosa. „Fără niciun control extern, micromaserul, prin propria sa dinamică, nu își mărește energia la infinit.” Acest lucru face bateria mai ușor de încărcat și previne deteriorarea hardware-ului din cauza excesului de energie.
În plus, noile rezultate, pe care echipa le descrie în jurnal Știință și tehnologie cuantică, arată că aceste caracteristici sunt valabile în condiții realiste (și anume, putere de încărcare crescută și inexactități în proprietățile fizice ale sistemului) pentru pregătirea și funcționarea micromaserului - aducând modelul unei baterii utile mai aproape de ceea ce este realizabil experimental.
Avantaj de suprapunere
Rezultatele pozitive cu privire la micromasere sunt susținute de a studiu legat de un grup de la Universitatea din Geneva, Elveția. Condus de Stefan Nimmrichter, acest grup a arătat că un singur micromaser poate avea un avantaj față de dispozitivele clasice în ceea ce privește puterea de încărcare dacă atomii ajung în cavitate într-o suprapunere cuantică. Anterior, se știa doar că puterea de încărcare poate fi îmbunătățită față de sistemele clasice prin combinarea multor baterii cuantice folosind încrucișarea cuantică.
Bateria cuantică ar putea primi un impuls din încurcare
Rosa spune că este nevoie de muncă suplimentară pentru a înțelege mai bine cum să combinați mai multe micromasere individuale și să optimizați performanța la extinderea sistemului. „Cu alte baterii, am văzut că puterea de încărcare se îmbunătățește cu mai multe baterii care se încarcă împreună”, spune el. „Vrem să știm dacă micromaserele au această proprietate.”
Pentru a face modelul mai realist, echipa este acum interesată de ce se întâmplă atunci când cavitatea este imperfectă, ceea ce înseamnă că o parte de energie este disipată. Dacă bateria funcționează bine în aceste condiții, păstrând caracteristicile deja văzute în această lucrare, asta ar deschide ușa unor potențiale colaborări experimentale, inclusiv cu alți fizicieni din Italia sau cu grupul de la Geneva.
