De flesta batterier lagrar energi genom kemiska processer. Kvantbatterier däremot lagrar energi i mycket upphetsade tillstånd av kvantsystem. Forskare har föreslagit ett antal olika sätt att implementera sådana batterier, och de senaste framstegen har väckt förhoppningar om att de skulle kunna hjälpa övergången till mer hållbara energikällor. Men de kommer med flera utmaningar, inklusive att hitta enkla sätt att frigöra energin och att upprätthålla den korrekta nivån av lagrad energi.
Forskare från Institute for Basic Science (IBS), Korea, i samarbete med kollegor vid University of Insubria, Italien, har nu visat att kvantbatterier baserade på mikromasrar kan hjälpa till att övervinna några av dessa utmaningar. Mikromasrar består av en ström av atomer som interagerar med det elektromagnetiska fältet inuti en optisk kavitet. Energin i kaviteten ökar med successiva interaktioner tills den platårar på en viss nivå och laddar batteriet.
I det nya arbetet visade IBS-Insubria-teamet att mikromasrar, när de väl laddats, når ett nästan stabilt tillstånd, vilket innebär att deras energinivå inte fluktuerar nämnvärt över tidsskalor som är relevanta för systemet i teamets modell. Detta är viktigt eftersom det gör det möjligt att exakt beräkna batteriets laddningstid. Med parametrarna som används i denna studie nås steady-state-nivån efter cirka 30 interaktioner, och energin förblir stabil för cirka 1 miljon ytterligare interaktioner.
Nästan rent steady state
En annan fördel med detta nästan stabila tillstånd är att det är ungefär rent, vilket gör det möjligt att betrakta kavitetens tillstånd oberoende av tillståndet hos de atomer som den har interagerat med. Detta är förvånande, för efter många kollisioner kan man förvänta sig att kavitetens tillstånd inte skulle vara rent, vilket gör det omöjligt att maximera mängden energi som extraheras från batteriet utan att också interagera med alla kasserade atomer. IBS-Insubria-teamet visade dock att mängden användbar energi (känd som batteriets ergotropi) fortfarande är hög.
Mikromaserns kvantdynamik hindrar också batteriet från att överladdas, säger man Dario Rosa, en senior forskare vid IBS som ledde studien. "I princip kan systemet fortsätta att öka i energi och kan bli oändligt", förklarar Rosa. "Utan någon extern kontroll ökar mikromasern, genom sin egen dynamik, inte sin energi på obestämd tid." Detta gör batteriet lättare att ladda och förhindrar skador på hårdvaran från överskottsenergi.
Dessutom de nya resultaten, som teamet beskriver i journalen Quantum Science and Technology, visa att dessa egenskaper stämmer under realistiska förhållanden (nämligen ökad laddningseffekt och felaktigheter i systemets fysiska egenskaper) för förberedelse och drift av mikromasern – vilket för modellen för ett användbart batteri närmare vad som är experimentellt möjligt.
Superposition fördel
De positiva resultaten när det gäller mikromasrar stöds av en relaterad studie av en grupp från universitetet i Genève, Schweiz. Ledd av Stefan Nimmrichter visade denna grupp att en enda mikromaser kan ha en fördel gentemot klassiska enheter i sin laddningskraft om atomerna anländer till kaviteten i en kvantöverlagring. Tidigare hade det bara varit känt att laddningskraften kan förbättras jämfört med klassiska system genom att kombinera många kvantbatterier med hjälp av kvantintrassling.
Quantum batteri kan få ett uppsving från intrassling
Rosa säger att ytterligare arbete behövs för att bättre förstå hur man kombinerar många individuella mikromasrar och optimerar prestandan när man skalar upp systemet. "Med andra batterier har vi sett att laddningseffekten förbättras med fler batterier som laddas tillsammans", säger han. "Vi vill veta om mikromasrar har den här egenskapen."
För att göra modellen mer realistisk är teamet nu intresserade av vad som händer när kaviteten är ofullkomlig, vilket innebär att en del energi försvinner. Om batteriet fungerar bra under dessa förhållanden, och bevarar de egenskaper som redan setts i detta arbete, skulle det öppna dörren för potentiella experimentella samarbeten, inklusive med andra fysiker i Italien eller gruppen i Genève.
