By 
Нове дослідження, проведене дослідниками з Університетів Ланьчжоу та Університету Хубей, пропонує схему зарядки квантової батареї (QB) на основі прямокутного порожнистого металевого хвилеводу. Цей підхід дозволяє їм подолати декогеренцію, спричинену навколишнім середовищем, і обмеження відстані заряджання. Висновки опубліковані в Physical Review Letters.
Попит і пропозиція на акумулятори продовжують зростати з упором на покращення накопичення енергії, довговічності та можливостей зарядки. На цьому фронті вчені зараз розробляють квантові батареї, які використовують принципи квантової механіки для зберігання та постачання енергії.
Мета полягає в тому, щоб використовувати такі фундаментальні принципи квантової механіки, як заплутаність і когерентність, щоб подолати обмеження класичної фізики, досягнувши таким чином більшої зарядної потужності, вищої зарядної ємності та більшого вилучення роботи порівняно з класичними аналогами. Нове дослідження досліджує QB шляхом розміщення батареї та зарядного пристрою в прямокутному порожнистому хвилеводі. Цей метод спрямований на пом’якшення ефектів декогеренції для досягнення тривалої та ефективної роботи QB.
Говорячи про мотивацію команди досліджувати квантові батареї, провідний автор дослідження, професор Джун-Хонг Ан з Університету Ланьчжоу, Китай, сказав Phys.org: «Проблеми декогеренції викликають спонтанну втрату енергії QB, що називається старінням. QB.»
«Іншою проблемою для практичної роботи QB є його низька ефективність заряджання, що є наслідком крихкості послідовної взаємодії між QB та його зарядним пристроєм. Ми хотіли подолати ці проблеми».
Квантова батарея та хвилеводи
Модель QB базується на двох дворівневих системах (TLS), які є системами, що мають два різних рівні енергії. Ці енергетичні рівні зазвичай представлені як основний стан і збуджений стан. Однією системою є сама батарея, а іншою – зарядний пристрій. Процеси зарядки та обміну енергією між цими TLS відіграють ключову роль у функціонуванні системи QB. TLS заряджаються шляхом встановлення когерентного зв’язку з іншими TLS або зовнішніми полями.
У контексті QB когерентний зв’язок — це синхронізована та корельована взаємодія між цими квантовими системами, що забезпечує передачу або обмін енергією. Ці когерентні взаємодії є крихкими та вносять декогерентність у ці системи.
«Будь-яка квантова система не може бути повністю ізольована від зовнішнього середовища, що неминуче викликає небажану декогерентність системи», — пояснив професор Джун-Хонг.
Ці моделі реалізують зарядку через пряму взаємодію зарядного пристрою та QB. Однак на це співвідношення впливає відстань між ними, що призводить до зниження ефективності заряджання. Щоб подолати це та проблему декогерентності, дослідники представили прямокутні порожнисті хвилеводи.
Хвилевід — це структура, яка спрямовує хвилі, зазвичай електромагнітні, по певному шляху. Він діє як провідник для хвиль, обмежуючи та спрямовуючи їх у контрольований спосіб.
«Прямокутний порожнистий металевий хвилевід використовується для збирання та спрямування електромагнітного поля для передачі енергії між QB і зарядним пристроєм», — сказав професор Джун-Хонг.
Сама передача енергії відбувається без прямого контакту між двома TLS, що представляє новий підхід до процесу зарядки QB.
Квантувані взаємодії
Модель дослідників базується на квантованій взаємодії між електромагнітним полем і речовиною всередині хвилеводу. У межах хвилеводу електромагнітне поле має специфічні дисперсійні співвідношення та структуру забороненої зони, які є параметрами, що впливають на його поширення та взаємодію у квантовій системі.
Спочатку це електромагнітне поле знаходиться у вакуумному стані, тобто в його модах немає фотонів. Тим часом QB знаходиться в основному стані, а зарядний пристрій у збудженому стані. Зарядний пристрій переходить зі збудженого стану в основний, випромінюючи фотон в електромагнітному полі. Це вводить збудження в електромагнітне поле, що призводить до того, що поле має нескінченні моди (або можливі конфігурації). Згодом фотон поглинається QB, який переходить у збуджений стан.
Хоча наявність нескінченних мод в електромагнітному полі зазвичай викликає декогерентність у квантовій системі, дивним аспектом є те, що дослідники виявили, що це нескінченне поле діє як середовище і, всупереч очікуванням, сприяє когерентному обміну енергією QB-зарядного пристрою.
«Наша робота розкриває механізм узгодженого обміну енергією QB-зарядного пристрою завдяки посередницькій ролі нескінченного електромагнітного поля», — пояснив професор Джун-Хонг.
Динаміка зарядки і подальша робота
Несподіване відкриття про те, що декогеренція в системі не призводить до старіння QB, суперечить поширеній думці. Натомість дослідники відзначають, що обмін енергією є оптимальним процесом зарядки, який зазвичай очікується в сценаріях, коли зарядний пристрій і QB безпосередньо взаємодіють.
Крім того, їх схема QB показала велику дальність бездротової зарядки, причому формування двох зв’язаних станів у енергетичному спектрі загальних систем (QB-charger-environment) відіграє вирішальну роль.
«Основне повідомлення нашої роботи полягає в тому, що квантові з’єднання, яким віддає перевагу хвилевід, дають нам корисний спосіб подолати проблеми практичної реалізації QB», – додав професор Джун-Хонг.
Це покращує ефективність QB і відкриває двері для більш легких і тонких пристроїв з більшою легкістю, які також виділяються своєю довговічністю.
Професор Джун-Хонг також підкреслив, що їхній пристрій був абсолютно безпечним і нешкідливим, оскільки електромагнітне поле завжди обмежене хвилеводом, а накопичувач енергії QB, вільний від електрохімічних реакцій, сприяє нескінченному повторному використанню без забруднення навколишнього середовища. Наступним кроком для дослідників є масштабування своєї схеми QB.
«Більш конкретно, ми плануємо розробити багатокорпусну модель QB, яка працює за принципом віддаленої бездротової зарядки. Це може дозволити нам ефективно використовувати переваги квантової заплутаності в підвищенні зарядної потужності, зарядної ємності та витягуваної роботи пристрою. дистанційне заряджання та запобігання старінню QB», — підсумував професор Джун-Хонг.
Comments