Квантовые батареи могут обеспечить новый вид хранения энергии, играя со временем

В типичной батарее заряженные ионы проносятся в одном направлении через море других частиц по мере перезарядки батареи, а затем возвращаются в другом направлении, чтобы высвободить накопленную энергию по сигналу.

Вперед и назад Ионы улетают, некоторые из них по пути отклоняются, пока емкость батареи не иссякнет, и она теряет энергию слишком быстро, чтобы ее можно было использовать.

Но физики, которые хороши в этом, придумывают новые способы хранить энергию в удобных портативных устройствах, используя странное квантовое явление, которое искажает время, среди других необычных явлений.

«В современных батареях для маломощных устройств, таких как смартфоны или датчики, обычно используются химические вещества, такие как литий. для хранения заряда, тогда как квантовая батарея использует микроскопические частицы, такие как массивы атомов», — объясняет Юаньбо Чен, аспирант физики Токийского университета.

В своей последней работе Чен объединился с физиком Гаояном Чжу. из Пекинского исследовательского центра вычислительных наук, входящего в состав Китайской академии инженерной физики, и его коллег, чтобы проверить идею создания квантовой батареи, которая позволяет осуществлять одновременные этапы зарядки, тем самым улучшая накопление энергии и термический КПД.

«Хотя химические батареи подчиняются классическим законам физики, микроскопические частицы имеют квантовую природу, поэтому у нас есть возможность изучить способы их использования, которые искажают или даже разрушают наши интуитивные представления о том, что происходит в малых масштабах», — говорит Чен.

Чен, Чжу и коллеги, конечно, не первая группа, которая представляет, как может работать квантовая батарея, но они проверили свои идеи экспериментально на лабораторном стенде, полном разнесенных лазеров и линз. и зеркала.

В 2019 году группа канадских исследователей разработала проект квантовой батареи, которая никогда не теряет заряд. Их идея, которая до сих пор является полностью теоретической, основана на другом квантовом механизме: тот, который включает в себя перевод квантовых компонентов в «темное состояние», когда материал не может взаимодействовать с окружающей средой или терять энергию.

Подход Чжу и его коллег вытекает из квантового явления, известного как суперпозиция, которое обычно называют квантовыми вычислениями, и заключается в том, что частицы существуют в множестве возможных состояний до момента их измерения.

Такое наложение возможностей также противоречит естественному порядку времени, как недавно показали исследователи.

В классической физике и повседневной жизни события могут происходить только линейно или в фиксированном порядке. Думайте о причине прежде, чем о следствии, или о событии А (щелканье выключателя) перед событием Б (включается свет).

Однако в квантовом мире этот линейный порядок нарушается, и суперпозиция позволяет событиям разворачиваться вдоль и поперёк. два параллельных пути одновременно. В каком-то смысле это мешает времени, потому что событие, следующее за другим, также может повлиять на результат события, как если бы оно произошло раньше, поскольку оба порядка событий: A перед B и B перед A, одновременно истинны.

«Проще говоря, было обнаружено, что законы квантовой механики допускают квантовую суперпозицию причинных порядков», — объясняют Чжу и его коллеги.

Чтобы применить это к хранению энергии, исследователи реализовали этот странный процесс. используя квантовый переключатель, протестировал несколько различных конфигураций зарядных устройств и создал систему, способную питаться от двух зарядных устройств одновременно.

«Мы продемонстрировали, что способ зарядки аккумулятора, состоящего из квантовых частиц, может существенно повлиять на его производительность», — говорит Чен. «Мы увидели огромный прирост как в энергии, запасенной в системе, так и в термическом КПД».

«Более того, мы выявили противоречивый эффект, заключающийся в том, что относительно менее мощное зарядное устройство гарантирует заряженную батарею с большей энергией при более высокой эффективности», — сообщают исследователи в своей статье.

Хотя эта квантовая «батарея» больше похожа на сеть лазеров на лабораторном столе и находится вдали от каких-либо практических применений, она по-прежнему является крутой демонстрацией эффективности основополагающие принципы и то, что может быть возможно когда-нибудь в будущем – если этого еще не произошло в прошлом.

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.