Дослідники представили перспективний новий підхід до створення довговічних квантових батарей, використовуючи добре відомий дефект у структурі алмазу. Ця розробка вирішує проблему спонтанної втрати енергії — однієї з головних вад таких футуристичних пристроїв — і наближає їх до практичного використання.
Квантові батареї (QB) давно розглядаються як потенційна альтернатива класичним акумуляторам. Вони використовують унікальні квантові ефекти, як-от квантове переплутування та суперпозицію, що дозволяє заряджати їх швидше й забезпечувати вищу потужність. Але наразі їхня реальна ефективність залишається розчаровуючою — переважно через явище декогеренції. Це явище виникає, коли квантові системи взаємодіють із навколишнім середовищем, що спричиняє втрату накопиченої енергії, відому як саморозряд.
Нове дослідження пропонує спосіб зменшити цю проблему. Дослідники з Університету Хубей, Китайської академії наук та Ланьчжоуського університету запропонували модель квантової батареї, побудовану навколо центру азот-вакансія (NV) в алмазі. Спін електрона в центрі NV виступає як ядро батареї.
Придушення спонтанної втрати енергії
Команда з’ясувала, що центр NV має важливу перевагу: він здатен придушувати саморозряд без необхідності зовнішнього контролю чи квантового зарядного пристрою.
«Було запропоновано кілька схем для зменшення саморозряду квантових батарей, але всі вони потребують квантового зарядного пристрою», — пояснив Цзюнь-Хун Ань, співкерівник дослідження. «Однак переплутування батареї з зарядним пристроєм зменшує її ерготропність.»
Ерготропність — це максимальна кількість корисної роботи, яку можна отримати з системи. Коли батарея переплутана із зарядним пристроєм, цей показник знижується. Дизайн на основі NV уникає цієї проблеми, спираючись на внутрішні квантові особливості, зокрема на гіпертонку взаємодію між електроном NV-центру та ядром азоту.
Ця взаємодія дозволяє контролювати, як зберігається та утримується енергія всередині квантової батареї — особливо її когерентна частина, яка розпадається повільніше, ніж некогерентна. Оптимізуючи співвідношення когерентної енергії до загальної ерготропності, батарея здатна довше зберігати заряд та віддавати більше корисної роботи.
Від квантової теорії до енергетичних технологій
«Практичне втілення та застосування квантових батарей стикається з двома основними викликами», — зазначив Ань. «Перший — це зниження ефективності заряджання через декогеренцію під час самого процесу. Другий — це спонтанна втрата енергії (саморозряд) через декогеренцію в період зберігання.»
У попередніх дослідженнях команда вже вирішувала першу проблему за допомогою бездротового протоколу заряджання, що захищав систему від деградації. Останнє дослідження безпосередньо вирішує проблему саморозряду — і на відміну від попередніх рішень, не потребує квантового зарядного пристрою чи складних схем. Їхня модель повністю використовує переваги NV-центру — дефекту в алмазі, який уже використовується у квантовій сенсориці та обчисленнях.
Властивості спіну NV-центру добре вивчені та стабільні при кімнатній температурі, що робить його однією з найбільш реалістичних платформ для впровадження квантових пристроїв. Оскільки квантова термодинаміка набуває дедалі більшої ваги як наукова галузь, такі розробки можуть відкрити двері до нового покоління систем зберігання енергії — швидших, чистіших і заснованих на законах квантової фізики. Дослідження опубліковане в журналі Physical Review Letters.