En ny studie av forskare vid Lanzhou University och Hubei University föreslår ett kvantbatteri (QB) laddningsschema baserat på en rektangulär ihålig metallvågledare. Detta tillvägagångssätt tillåter dem att övervinna miljöinducerad dekoherens och begränsningar av laddningsavstånd. Resultaten publiceras i Physical Review Letters .
Efterfrågan och utbudet av batterier fortsätter att växa med fokus på att förbättra energilagring, livslängd och laddningskapacitet. På denna front utvecklar forskare nu kvantbatterier som utnyttjar kvantmekanikens principer för att lagra och leverera energi.
Syftet är att använda grundläggande principer för kvantmekanik, såsom intrassling och koherens för att övervinna den klassiska fysikens begränsningar, och därigenom uppnå starkare laddningskraft, högre laddningskapacitet och större arbetsutvinning jämfört med klassiska motsvarigheter.
Den nya studien utforskar QB genom att placera batteriet och laddaren i en rektangulär ihålig vågledare. Denna metod syftar till att mildra effekterna av dekoherens för att uppnå långvarig och effektiv QB-prestanda.
På tal om teamets motivation att utforska kvantbatterier, sa huvudförfattaren till studien, professor Jun-Hong An från Lanzhou University, Kina, till Phys.org:"Dekoherensutmaningar orsakar den spontana energiförlusten av QB, vilket kallas åldrandet av QB."
"Den andra utmaningen för QB:s praktiska prestanda är dess låga laddningseffektivitet som ett resultat av bräckligheten i sammanhängande interaktioner mellan QB:n och dess laddare. Vi ville övervinna dessa utmaningar."
QB-modellen är baserad på två tvånivåsystem (TLS), som är system med två distinkta energinivåer. Dessa energinivåer representeras vanligtvis som ett grundtillstånd och ett exciterat tillstånd.
Det ena systemet är själva batteriet och det andra är laddaren. Laddnings- och energiutbytesprocesserna mellan dessa TLS spelar en nyckelroll i QB-systemets funktion. TLS laddas genom att upprätta en koherent koppling med andra TLS eller externa fält.
I samband med QBs är koherent koppling en synkroniserad och korrelerad interaktion mellan dessa kvantsystem, vilket möjliggör överföring eller utbyte av energi. Dessa sammanhängande interaktioner är ömtåliga och introducerar dekoherens i dessa system.
"Vilket kvantsystem som helst kan inte isoleras absolut från sin yttre miljö, vilket oundvikligen inducerar oönskad dekoherens i systemet", förklarade prof. Jun-Hong.
Dessa modeller realiserar laddning via direkt laddare-QB-interaktion. Detta förhållande påverkas dock av avståndet mellan de två vilket resulterar i en minskning av laddningseffektiviteten. För att övervinna detta och dekoherensproblemet introducerade forskarna rektangulära ihåliga vågledare.
En vågledare är en struktur som styr vågor, vanligtvis elektromagnetiska vågor, längs en specifik väg. Det fungerar som en kanal för vågorna, begränsar och styr dem att resa på ett kontrollerat sätt.
"Den rektangulära ihåliga metallvågledaren används för att samla in och styra det elektromagnetiska fältet för att förmedla energiöverföringen mellan QB och laddaren", säger prof Jun-Hong.
Själva energiöverföringen sker utan direkt kontakt mellan de två TLS, vilket introducerar en ny metod för QB-laddningsprocessen.
Forskarnas modell bygger på den kvantiserade interaktionen mellan det elektromagnetiska fältet och materia i en vågledare.
Inom gränserna för vågledaren har det elektromagnetiska fältet specifika spridningsförhållanden och bandgapstrukturer, vilka är parametrar som påverkar dess utbredning och interaktioner inom kvantsystemet.
Inledningsvis är detta elektromagnetiska fält i ett vakuumtillstånd, vilket betyder att det inte finns några fotoner i dess lägen. Under tiden är QB i sitt marktillstånd och laddaren är i ett upphetsat tillstånd.
Laddaren genomgår en övergång från ett exciterat tillstånd till grundtillståndet och avger en foton i det elektromagnetiska fältet. Detta introducerar en excitation i det elektromagnetiska fältet som leder till att fältet har oändliga lägen (eller möjliga konfigurationer).
Fotonen absorberas därefter av QB som övergår till ett exciterat tillstånd.
Även om oändliga lägen i det elektromagnetiska fältet vanligtvis skulle inducera dekoherens i kvantsystemet, är den överraskande aspekten att forskarna fann att detta oändliga lägesfält fungerar som en miljö och, mot förväntningar, underlättar ett koherent energiutbyte av QB-laddare.
"Vårt arbete avslöjar en mekanism för att få ett sammanhängande energiutbyte av QB-laddare att ske genom förmedlingsrollen för det oändliga elektromagnetiska fältet", förklarade prof. Jun-Hong.
Den oväntade upptäckten att dekoherens i systemet inte leder till att QB åldras motsäger allmän uppfattning. Istället noterar forskarna att energiutbytet är en optimal laddningsprocess – vanligtvis förväntad i scenarier där laddaren och QB direkt interagerar.
Dessutom visade deras QB-schema en lång räckvidd för trådlös laddning, där bildandet av två bundna tillstånd i energispektrumet för de totala systemen (QB-laddare-miljö) spelade en avgörande roll.
"Ett hembudskap för vårt arbete är att de kvantförbindelser som gynnas av vågledaren förser oss med ett användbart sätt att övervinna utmaningarna i det praktiska förverkligandet av QB," tillade prof. Jun-Hong.
Detta förbättrar effektiviteten hos QB och öppnar dörren för möjligheten till lättare och tunnare enheter med större underlättande, vilket också utmärker sig för sin hållbarhet.
Prof. Jun-Hong betonade också att deras enhet var helt säker och ofarlig eftersom det elektromagnetiska fältet alltid är begränsat inom vågledaren och QB:s energilagring, fri från elektrokemiska reaktioner, främjar oändlig återanvändning utan miljöföroreningar.
Nästa steg för forskarna är att skala deras QB-schema.
"Närmare bestämt planerar vi att utveckla en QB-modell med många kroppar som fungerar i vägen för trådlös fjärrladdning. Detta skulle kunna göra det möjligt för oss att effektivt införliva överlägsenheten hos kvantintrassling för att förbättra laddningskraften, laddningskapaciteten och det extraherbara arbetet hos en fjärrladdning och anti-aging QB", avslutade prof. Jun-Hong.
Mer information: Wan-Lu Song et al, Remote Charging and Degradation Suppression for the Quantum Battery, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.090401. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.13784
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
