Квантові батареї можуть забезпечити новий вид зберігання енергії

У звичайній батареї заряджені іони мчать в одному напрямку крізь море інших частинок, коли батарея заряджається, перш ніж мчати назад в іншому напрямку, щоб негайно вивільнити накопичену енергію. Іони рухаються туди-сюди, частина відволікаючись по дорозі, доки ємність батареї не розрядиться, і вона втрачає енергію занадто швидко, щоб бути корисною. Але фізики, які в них добре, винаходять нові способи зберігання енергії в зручних портативних пристроях, спираючись на дивне квантове явище, яке спотворює час, серед інших незвичайних подій.

«Поточні батареї для малопотужних пристроїв, таких як смартфони або датчики, зазвичай використовують такі хімічні речовини, як літій, для зберігання заряду, тоді як квантова батарея використовує мікроскопічні частинки, такі як масиви атомів», — пояснює Юаньбо Чен, аспірант фізики Університету ім. Токіо.

У своїй останній роботі Чень об’єднався з фізиком Гаоян Чжу з Пекінського дослідницького центру обчислювальної науки, що є частиною Китайської академії інженерної фізики, і колегами, щоб перевірити ідею створення квантової батареї, яка дозволяє одночасно заряджати етапи, тим самим покращуючи енергію. зберігання та теплова ефективність.

«У той час, як хімічні батареї керуються класичними законами фізики, мікроскопічні частинки мають квантову природу, тож у нас є шанс дослідити способи їх використання, які порушують або навіть порушують наші інтуїтивні уявлення про те, що відбувається в малих масштабах», — говорить Чень.

Чень, Чжу та їхні колеги, звичайно, не перша група, яка уявила, як може працювати квантова батарея, але вони експериментально перевірили свої ідеї на лабораторному стенді, наповненому рознесеними лазерами, лінзами та дзеркалами.

У 2019 році команда канадських дослідників розробила проєкт квантової батареї, яка ніколи не втрачає заряд. Їхня ідея, яка все ще є цілком теоретичною, базується на іншому квантовому механізмі: такому, який передбачає заманювання квантових компонентів у «темний стан», де матеріал не може взаємодіяти з навколишнім середовищем або втрачати енергію з ним.

Підхід Чжу та його колег є продовженням квантового явища, відомого як суперпозиція, яке зазвичай називають квантовими обчисленнями, і полягає в тому, що частинки існують у шквалі можливих станів до моменту їх вимірювання. Дослідники нещодавно показали, що це накладення можливостей також порушує природний порядок часу.

У класичній фізиці та повсякденному житті події можуть відбуватися лише лінійно або у фіксованому порядку. Подумайте про причину перед наслідком або про подію А (натисніть перемикач) перед подією Б (вмикається світло).

Однак у квантовій сфері цей лінійний порядок руйнується, і суперпозиція дозволяє подіям розгортатися двома паралельними шляхами одночасно. У певному сенсі це збиває час, оскільки подія, яка йде за іншою, також може вплинути на результат події, ніби вона відбулася раніше, тому що обидва порядки подій, A до B і B до A, є одночасно істинними.

«Простіше кажучи, було виявлено, що закони квантової механіки дозволяють квантову суперпозицію причинних порядків», — пояснюють Чжу та його колеги.

Щоб застосувати це до накопичення енергії, дослідники реалізували цей дивний процес за допомогою квантового перемикача, випробували кілька різних конфігурацій зарядних пристроїв і створили систему, здатну працювати з двох зарядних пристроїв одночасно.

«Ми продемонстрували, що те, як ви заряджаєте батарею, що складається з квантових частинок, може суттєво вплинути на її продуктивність», — каже Чен. «Ми побачили величезні переваги як в енергії, що накопичується в системі, так і в тепловій ефективності».

«Щобільше, ми виявляємо суперечливий ефект, згідно з яким відносно менш потужний зарядний пристрій гарантує заряджену батарею з більшою енергією та вищою ефективністю», — повідомляють дослідники у своїй статті.

Незважаючи на те, що ця квантова «батарея» більше схожа на мережу лазерів на лабораторному столі, і ще багато років від будь-яких практичних застосувань, вона все одно є чудовою демонстрацією базових принципів і того, що могло б стати можливим колись у майбутньому – якби цього не було вже було в минулому.