Batterier som utnyttjar kvantfenomen för att få, distribuera och lagra ström lovar att överträffa förmågan och användbarheten hos konventionella kemiska batterier i vissa applikationer med låg effekt. För första gången drar forskare, inklusive de från Tokyos universitet, fördel av en ointuitiv kvantprocess som bortser från den konventionella uppfattningen om kausalitet för att förbättra prestandan hos så kallade kvantbatterier, och föra denna framtida teknik lite närmare verkligheten.
När du hör ordet "kvant", fysiken som styr den subatomära världen, tenderar utvecklingen inom kvantdatorer att stjäla rubrikerna, men det finns andra kommande kvantteknologier som är värda att uppmärksamma. Ett sådant föremål är kvantbatteriet som, även om det initialt är förbryllande i namnet, har outforskad potential för hållbara energilösningar och möjlig integration i framtida elfordon. Ändå är dessa nya enheter redo att användas i olika bärbara och lågeffekttillämpningar, särskilt när möjligheter att ladda är knappa.
I dagsläget existerar kvantbatterier bara som laboratorieexperiment, och forskare runt om i världen arbetar med de olika aspekter som hoppas kunna kombineras en dag till en fullt fungerande och praktisk tillämpning. Doktorand Yuanbo Chen och docent Yoshihiko Hasegawa från Institutionen för informations- och kommunikationsteknik vid University of Tokyo undersöker det bästa sättet att ladda ett kvantbatteri, och det är här tiden spelar in. En av fördelarna med kvantbatterier är att de ska vara otroligt effektiva, men det beror på hur de laddas.
"Nuvarande batterier för energisnåla enheter, som smartphones eller sensorer, använder vanligtvis kemikalier som litium för att lagra laddning, medan ett kvantbatteri använder mikroskopiska partiklar som arrayer av atomer," sa Chen. "Medan kemiska batterier styrs av klassiska fysiklagar, är mikroskopiska partiklar kvanta i naturen, så vi har en chans att utforska sätt att använda dem som böjer eller till och med bryter våra intuitiva föreställningar om vad som sker i liten skala. Jag är särskilt intresserad av hur kvantpartiklar kan arbeta för att bryta mot en av våra mest grundläggande upplevelser, tidens."
I samarbete med forskaren Gaoyan Zhu och professor Peng Xue från Beijing Computational Science Research Center experimenterade teamet med sätt att ladda ett kvantbatteri med hjälp av optiska apparater som lasrar, linser och speglar, men sättet de uppnådde det krävde en kvanteffekt där händelser är inte kausalt kopplade som vardagliga saker är.
Tidigare metoder för att ladda ett kvantbatteri involverade en serie laddningssteg efter varandra. Men här använde teamet istället en ny kvanteffekt som de kallar indefinite causal order, eller ICO. I det klassiska området följer kausalitet en tydlig väg, vilket betyder att om händelse A leder till händelse B, så är möjligheten att B orsakar A utesluten. Men på kvantskalan tillåter ICO båda kausalitetsriktningarna att existera i vad som kallas en kvantsuperposition, där båda kan vara sanna samtidigt.
"Med ICO visade vi att hur du laddar ett batteri som består av kvantpartiklar kan drastiskt påverka dess prestanda", sa Chen. "Vi såg enorma vinster i både energin som lagras i systemet och den termiska effektiviteten. Och något kontraintuitivt upptäckte vi den överraskande effekten av en interaktion som är det motsatta av vad du kan förvänta dig:En laddare med lägre effekt kan ge högre energier med större effektivitet än en laddare med jämförbart högre effekt som använder samma apparat."
Fenomenet ICO som teamet utforskade kunde hitta användningsområden utöver att ladda en ny generation lågeffektsenheter. De underliggande principerna, inklusive den omvända interaktionseffekten som avslöjas här, skulle kunna förbättra prestanda för andra uppgifter som involverar termodynamik eller processer som involverar överföring av värme. Ett lovande exempel är solpaneler, där värmeeffekter kan minska deras effektivitet, men ICO skulle kunna användas för att mildra dem och leda till effektivitetsvinster istället.
Mer information: Ladda kvantbatterier via obestämd orsaksordning:teori och experiment, fysiska granskningsbrev (2023). journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.131.240401
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av University of Tokyo
