De senaste teoretiska studierna vid Monash University tar oss ett steg närmare realistiska kvantbatterier.

Sådan teknik skulle bero på energiskillnaden som erbjuds av olika kvanttillstånd, snarare än på elektrokemiska förändringar, som är fallet med traditionella batterier.

Kvantbatterier erbjuder också potential för mycket bättre termodynamisk effektivitet, och extremt snabb laddningstid.

Studien, som leddes av FLEETs Meera församling och Jesper Levinsen utökade tidigare forskning om individ, isolerade kvantbatterier för att överväga en mer realistisk, mångkroppssystem med inneboende interaktioner. Forskarna visade att interaktiva kvantbatterier laddas snabbare än isolerade batterier.

Bygga bättre (kvant) batterier

Med spridningen av mobila datorer kommer en motsvarande efterfrågan på allt mer effektiv, ständigt snabbare laddning av batterier.

Kvantbatterier är en möjlig framtid, med kvantinvikling (Einsteins berömda "spöklik handling på avstånd"), erbjuder potential för prestanda som överstiger klassisk teknik.

Nyckeln till ett batteri är skillnaden mellan dess laddade och oladdade tillstånd. I elektrokemiska batterier som en iPhones litiumjonpaket, detta representerar en skillnad i lagrad elektronisk laddning. I systemet Snowy River driven-hydro, det är skillnaden mellan vatten som lagras på högre eller lägre höjder. I vilket fall, att lagrad energi är tillgänglig för arbete.

Klassiska batterier som dessa exempel fungerar dock med endast en liten bråkdel av teoretiska termodynamiska gränser.

I ett kvantbatteri, en sådan skillnad skulle bero på kvantinvikling:kvantlänken mellan partiklar med identiska kvantvågformer. Ett par intrasslade kvantbatterier fungerar mycket bättre än ett ensamt, i teorin kan prestandan hos ett tillräckligt stort antal intrasslade kvantbatterier närma sig 100 procent av den termodynamiska gränsen.

Den ökade effekten hos ett förträngningsförbättrat kvantbatteri gör teoretiskt möjligt att kvantbatterier laddas mycket snabbare än deras klassiska motsvarigheter.

Tidigare forskning om kvantbatterier har antagit diskret, oberoende kvantsystem som bygger på globala, många kroppsinteraktioner för att uppnå en kvantfördel i laddkraft.

Den senaste Monash-studien betraktade istället mer realistiska kvantbatterier, med inneboende interaktioner mellan många kroppar.

Kvantspinnskedjor befanns vara en lovande plattform för kvantbatterier. Snurrkedjor består av ett antal snurr anordnade på en endimensionell linje och har fungerat som en viktig och fruktbar modell för mer komplicerade system sedan kvantfysikens tidiga dagar.

Forskarna fann att sådana kvantbatterier, kopplade via spin-spin-interaktioner laddas snabbare än deras icke-interagerande motsvarigheter.

Intressant, forskarna upptäckte också att denna laddningsfördel inte berodde på (kvant eller klassisk) korrelation, som har varit fallet i tidigare arbeten, men snarare berodde på medelfältseffekten av interaktioner mellan snurrarna.

Vidare i Monash -studien, batterierna laddades av lokala fält, istället för den vanliga kollektiva laddningen.

Arbetet visar också hur energistrukturen i kvantbatterierna kan konstrueras för att ge extremt snabb laddning.

Detta arbete visar sammanslagningen av realistiska kondenserade system med kvanttermodynamik, som kulminerar i potentiellt realiserbara kvantbatterier med många kroppar.

Det var också första gången laddningen av batterier antogs genom lokalt tillämpade fält, istället för den vanliga kollektiva laddningen.

Studien, Snurrkedjemodell av ett kvantbatteri med många kroppar, leddes av Thao P. Le och publicerades i Fysisk granskning A i februari 2018.

Icke-jämvikt fysik och FLEET

Tvinga ett kvantbatteri till ett nytt, laddat tillstånd representerar ett exempel på icke-jämviktsfysik, där system tvingas ut ur jämvikt till ett tillfälligt tillstånd.

Det är en relativt ny, och spännande fält, och ett paradigmskifte inom materialteknik.

På FLEET, icke-jämviktsmekanismer drivs av forskare i centrumets forskningstema 3, ljustransformerade material, i syfte att uppnå nollmotståndsvägar för elektrisk ström, som en del av centrumets uppdrag att utveckla en ny generation av ultralåg energi.

Till exempel, kort, intensiva ljusutbrott kan användas för att tillfälligt tvinga materia att anta en ny, distinkt topologiskt tillstånd eller för att övergå till ett överflödigt tillstånd.

Den tvångsstat som uppnås är bara tillfällig, men forskare lär sig oerhört mycket om den grundläggande fysiken för topologiska isolatorer och supervätskor när de observerar det materiella skiftet mellan naturliga och forcerade tillstånd, under en period av flera mikrosekunder.

Meera Parish och Jesper Levinsens forskning inom FLEETs forskningstema 3 söker förståelse och kontroll av interaktioner mellan partiklar i kvantämne, Inklusive:

• Skillnader mellan system som endast innehåller några få partiklar, och system innefattande många partiklar
• Effekter av att begränsa systemet till 1D eller 2-D
• Beteende hos kvasipartiklar inom systemet.

FLEET är ett forskningscenter finansierat av Australian Research Council som samlar över hundra australiensiska och internationella experter för att utveckla en ny generation av ultralåg energi.

Theory of Quantum Matter -gruppen annonserar för närvarande för en doktorsexamen placera, studera fysiken för ultrakylda atomgaser.