Hầu hết các loại pin lưu trữ năng lượng thông qua các quá trình hóa học. Ngược lại, pin lượng tử lưu trữ năng lượng ở trạng thái kích thích cao của hệ lượng tử. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số cách khác nhau để triển khai các loại pin như vậy, và những tiến bộ gần đây đã làm dấy lên hy vọng rằng chúng có thể hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang các nguồn năng lượng bền vững hơn. Tuy nhiên, chúng đi kèm với một số thách thức, bao gồm tìm cách dễ dàng để giải phóng năng lượng và duy trì mức năng lượng dự trữ chính xác.
Các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Cơ bản (IBS), Hàn Quốc, phối hợp với các đồng nghiệp tại Đại học Insubria, Ý, hiện đã chỉ ra rằng pin lượng tử dựa trên micromasers có thể giúp vượt qua một số thách thức này. Micromasers bao gồm một dòng nguyên tử tương tác với trường điện từ bên trong một khoang quang học. Năng lượng trong khoang tăng lên theo các tương tác liên tiếp cho đến khi nó tăng cao ở một mức nhất định, sạc pin.
Trong nghiên cứu mới, nhóm IBS-Insubria đã chứng minh rằng micromasers, sau khi được sạc, đạt trạng thái gần như ổn định, có nghĩa là mức năng lượng của chúng không dao động đáng kể theo khoảng thời gian liên quan đến hệ thống trong mô hình của nhóm. Điều này rất quan trọng vì nó giúp bạn có thể tính toán chính xác thời gian sạc của pin. Với các tham số được sử dụng trong nghiên cứu này, mức trạng thái ổn định đạt được sau khoảng 30 lần tương tác và năng lượng vẫn ổn định trong khoảng 1 triệu lần tương tác tiếp theo.
Trạng thái ổn định gần như thuần túy
Một ưu điểm khác của trạng thái gần như ổn định này là nó gần như tinh khiết, điều này có thể coi trạng thái của khoang độc lập với trạng thái của các nguyên tử mà nó đã tương tác. Điều này thật đáng ngạc nhiên, bởi vì sau nhiều vụ va chạm, người ta có thể cho rằng trạng thái của khoang này sẽ không còn tinh khiết, khiến nó không thể tối đa hóa lượng năng lượng khai thác từ pin mà không tương tác với tất cả các nguyên tử bị loại bỏ. Tuy nhiên, nhóm IBS-Insubria đã chỉ ra rằng lượng năng lượng có thể sử dụng được (được gọi là độ ổn định của pin) vẫn ở mức cao.
Động lực lượng tử của micromaser cũng ngăn không cho pin sạc quá mức, Dario Rosa, một nhà nghiên cứu cấp cao tại IBS, người dẫn đầu cuộc nghiên cứu. “Về nguyên tắc, hệ thống có thể tiếp tục tăng năng lượng và có thể trở nên vô hạn,” Rosa giải thích. “Nếu không có bất kỳ sự kiểm soát bên ngoài nào, bộ điều khiển vi mô, bằng động lực riêng của nó, không tăng năng lượng của nó vô thời hạn.” Điều này giúp pin dễ sạc hơn và tránh làm hỏng phần cứng do năng lượng dư thừa.
Ngoài ra, các kết quả mới, được nhóm mô tả trong tạp chí Khoa học và Công nghệ Lượng tử, cho thấy rằng các đặc điểm này đúng trong các điều kiện thực tế (cụ thể là tăng cường năng lượng sạc và sự không chính xác trong các đặc tính vật lý của hệ thống) đối với việc chuẩn bị và hoạt động của micromaser - đưa mô hình của pin hữu ích gần hơn với những gì có thể đạt được trong thực nghiệm.
Lợi thế chồng chất
Các kết quả tích cực về micromasers được hỗ trợ bởi nghiên cứu liên quan bởi một nhóm từ Đại học Geneva, Thụy Sĩ. Dẫn đầu bởi Stefan Nimmrichter, nhóm này đã chỉ ra rằng một micromaser đơn lẻ có thể có lợi thế hơn các thiết bị cổ điển về năng lượng sạc nếu các nguyên tử đến khoang trong một chồng chất lượng tử. Trước đây, người ta chỉ biết rằng năng lượng sạc có thể được cải thiện so với các hệ thống cổ điển bằng cách kết hợp nhiều pin lượng tử sử dụng rối lượng tử.
Pin lượng tử có thể được tăng cường từ sự vướng víu
Rosa nói rằng cần phải làm thêm để hiểu rõ hơn về cách kết hợp nhiều micromas riêng lẻ và tối ưu hóa hiệu suất khi mở rộng hệ thống. Ông nói: “Với các loại pin khác, chúng tôi thấy rằng năng lượng sạc được cải thiện khi có nhiều pin sạc cùng nhau. “Chúng tôi muốn biết liệu micromasers có thuộc tính này hay không.”
Để làm cho mô hình thực tế hơn, nhóm nghiên cứu hiện đang quan tâm đến điều gì sẽ xảy ra khi khoang không hoàn hảo, nghĩa là một số năng lượng bị tiêu tán. Nếu pin hoạt động tốt trong những điều kiện này, duy trì các tính năng đã thấy trong công trình này, điều đó sẽ mở ra cánh cửa cho những hợp tác thử nghiệm tiềm năng, bao gồm cả với các nhà vật lý khác ở Ý hoặc nhóm ở Geneva.
