Večina baterij shranjuje energijo s kemičnimi procesi. Nasprotno pa kvantne baterije shranjujejo energijo v visoko vzbujenih stanjih kvantnih sistemov. Raziskovalci so predlagali številne različne načine za uporabo takšnih baterij, nedavni napredek pa je vzbudil upanje, da bi lahko pomagali pri prehodu na bolj trajnostne vire energije. Vendar pa prihajajo s številnimi izzivi, vključno z iskanjem preprostih načinov za sprostitev energije in vzdrževanjem pravilne ravni shranjene energije.
Raziskovalci z Inštituta za osnovno znanost (IBS) v Koreji so v sodelovanju s kolegi z univerze Insubria v Italiji zdaj pokazali, da bi lahko kvantne baterije, ki temeljijo na mikromaserjih, pomagale premagati nekatere od teh izzivov. Mikromazerji so sestavljeni iz toka atomov, ki interagirajo z elektromagnetnim poljem znotraj optične votline. Energija v votlini se povečuje z zaporednimi interakcijami, dokler ne doseže določene ravni in polni baterijo.
V novem delu je ekipa IBS-Insubria pokazala, da mikromazerji, ko so enkrat napolnjeni, dosežejo skoraj enakomerno stanje, kar pomeni, da njihova raven energije ne niha bistveno v časovnih okvirih, ki so pomembni za sistem v modelu ekipe. To je pomembno, ker omogoča natančen izračun časa polnjenja baterije. S parametri, uporabljenimi v tej študiji, je raven stabilnega stanja dosežena po približno 30 interakcijah, energija pa ostane stabilna za približno 1 milijon nadaljnjih interakcij.
Skoraj čisto stabilno stanje
Druga prednost tega skoraj stabilnega stanja je, da je približno čisto, zaradi česar je mogoče upoštevati stanje votline neodvisno od stanja atomov, s katerimi je interagirala. To je presenetljivo, saj bi po številnih trkih lahko pričakovali, da stanje votline ne bi bilo čisto, zaradi česar bi bilo nemogoče povečati količino energije, pridobljene iz baterije, ne da bi pri tem sodelovali tudi z vsemi zavrženimi atomi. Vendar pa je ekipa IBS-Insubria pokazala, da količina uporabne energije (znana kot ergotropija baterije) ostaja visoka.
Kvantna dinamika mikromaserja tudi preprečuje prekomerno polnjenje baterije, pravi Dario Rosa, višji raziskovalec pri IBS, ki je vodil študijo. "Načeloma bi sistem lahko še naprej povečeval energijo in bi lahko postal neskončen," pojasnjuje Rosa. "Brez kakršnega koli zunanjega nadzora mikromaser z lastno dinamiko ne povečuje svoje energije za nedoločen čas." To olajša polnjenje baterije in prepreči poškodbe strojne opreme zaradi odvečne energije.
Poleg tega novi rezultati, ki jih ekipa opisuje v reviji Kvantna znanost in tehnologija, kažejo, da te značilnosti držijo v realnih pogojih (in sicer povečana moč polnjenja in netočnosti v fizikalnih lastnostih sistema) za pripravo in delovanje mikromaserja - s čimer se model uporabne baterije približa temu, kar je eksperimentalno dosegljivo.
Prednost superpozicije
Pozitivne rezultate glede mikromazerjev podpira a povezana študija skupina z Univerze v Ženevi, Švica. Ta skupina pod vodstvom Stefana Nimmrichterja je pokazala, da ima lahko en sam mikromaser prednost pred klasičnimi napravami v svoji moči polnjenja, če atomi pridejo v votlino v kvantni superpoziciji. Prej je bilo znano le, da je moč polnjenja mogoče izboljšati v primerjavi s klasičnimi sistemi s kombiniranjem številnih kvantnih baterij z uporabo kvantne prepletenosti.
Kvantna baterija bi lahko dobila spodbudo zaradi zapletanja
Rosa pravi, da je potrebno nadaljnje delo, da bi bolje razumeli, kako združiti številne posamezne mikromaserje in optimizirati zmogljivost pri nadgradnji sistema. »Pri drugih baterijah smo videli, da se moč polnjenja izboljša, če se več baterij polni skupaj,« pravi. "Želimo vedeti, ali imajo mikromaserji to lastnost."
Da bi bil model bolj realističen, ekipo zdaj zanima, kaj se zgodi, ko je votlina nepopolna, kar pomeni, da se nekaj energije razprši. Če baterija deluje dobro v teh pogojih in ohranja funkcije, ki so bile že vidne v tem delu, bi to odprlo vrata morebitnemu eksperimentalnemu sodelovanju, vključno z drugimi fiziki v Italiji ali skupino v Ženevi.
