Доказ концепції підтверджує фізику, яка може дозволити використовувати квантові батареї

Квантові батареї одного разу можуть зробити революцію в зберіганні енергії завдяки тому, що здається парадоксом: чим більше батарея, тим швидше вона заряджається. Група вчених вперше продемонструвала квантово-механічний принцип надпоглинання, що лежить в основі квантових батарей, у випробувальному пристрої.

Химерний світ квантової фізики сповнений явищ, які здаються нам неможливими. Молекули, наприклад, можуть настільки переплестися, що починають діяти колективно, і це може призвести до цілого ряду квантових ефектів. Це включає в себе надпоглинання, яке підвищує здатність молекули поглинати світло.

«Надпоглинання - це квантовий колективний ефект, при якому переходи між станами молекул конструктивно інтерферують», - сказав Джеймс Куач, автор дослідження.

"Конструктивна інтерференція з'являється у всіх видах хвиль (світло, звук, хвилі на воді) і виникає, коли різні хвилі складаються, щоб дати більший ефект, ніж будь-яка хвиля окремо. Важливо зазначити, що це дозволяє об'єднаним молекулам поглинати світло більш ефективно, ніж якби кожна молекула діяла окремо ".

У квантовій батареї це явище мало б очевидну користь. Чим більше у вас молекул, що зберігають енергію, тим ефективніше вони зможуть поглинати цю енергію - іншими словами, чим більше ви зробите батарею, тим швидше вона буде заряджатися.

Принаймні, так це повинно працювати в теорії. Надпоглинання ще належало продемонструвати в масштабі, достатньому для створення квантових батарей, і в новому дослідженні вдалося зробити саме це. Щоб створити тестовий пристрій, вчені помістили активний шар світлопоглинаючих молекул - барвника, відомого як Lumogen-F Orange, - в мікрополість між двома дзеркалами.

«Дзеркала в цьому мікрорезонаторі були виготовлені з використанням стандартного методу виготовлення високоякісних дзеркал», - пояснив Джеймс Куач.

"Це використання шарів діелектричних матеріалів - діоксиду кремнію і п'ятиокису ніобію - для створення так званого" розподіленого бреггівського відбивача ". Ми створюємо дзеркала, які відображають набагато більше світла, ніж звичайне дзеркало з металу/скла. Це важливо, оскільки ми хочемо, щоб світло залишалося всередині порожнини якомога довше ".

Потім команда вчених використовувала надшвидкий спектроскопію нестаціонарного поглинання, щоб виміряти, як молекули барвника накопичують енергію і як швидко заряджається весь пристрій. І дійсно, у міру збільшення розміру мікрополості та кількості молекул час зарядки зменшувався, демонструючи суперзаголощення в дії.

Зрештою, цей прорив може прокласти шлях до практичних квантових батарей, здатних швидко заряджати електромобілі або системи зберігання енергії, здатні справлятися з викидами енергії з відновлюваних джерел.

«Ідея тут - доказ того, що в такому пристрої можливе посилене поглинання світла», - кажуть дослідники. "Основне завдання, однак, полягає в тому, щоб подолати розрив між доказом принципу тут для невеликого пристрою і використанням тих же ідей в більш великих придатних для використання пристроях. Наступні кроки полягають у тому, щоб вивчити, як це можна об'єднати з іншими способами зберігання і передачі енергії, щоб створити пристрій, який може бути практично корисним ".

Дослідження було опубліковано в журналі Science Advances.