(Phys.org) — Natuurkundigen hebben theoretisch aangetoond dat, wanneer meerdere nanoschaalbatterijen aan elkaar worden gekoppeld, ze kunnen sneller worden opgeladen dan wanneer elke batterij afzonderlijk zou worden opgeladen. De verbetering komt voort uit collectieve kwantumverschijnselen en is geworteld in het opkomende gebied van kwantumthermodynamica - de studie van hoe kwantumeffecten de traditionele wetten die energie en werk beheersen, beïnvloeden.

De onderzoekers, Francesco Campaioli et al., hebben een artikel gepubliceerd over het snel opladen van batterijen op nanoschaal in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Hoewel veel onderzoek heeft aangetoond dat kwantumverschijnselen voordelen bieden in informatieverwerkingstoepassingen, zoals computers en beveiligde communicatie, er zijn zeer weinig demonstraties geweest van kwantumvoordelen in de thermodynamica. In een recente studie op dit gebied, onderzoekers toonden aan dat kwantumverstrengeling het mogelijk maakt om meer werk te halen uit een energieopslagapparaat op nanoschaal, of "kwantumbatterij, " dan mogelijk zou zijn zonder verstrengeling.

In de nieuwe studie de onderzoekers bouwen voort op dit resultaat om aan te tonen dat kwantumverschijnselen ook het laadvermogen van kwantumbatterijen kunnen verbeteren. Ze ontdekten ook dat het proces niet per se verstrengeling vereist, hoewel het operaties vereist die het potentieel hebben om verstrengelde toestanden te genereren.

"Ons werk laat zien hoe ingewikkelde operaties - dat wil zeggen, interacties tussen twee of meer lichamen zijn nodig om een ​​kwantumvoordeel te verkrijgen voor het laadvermogen van veellichaamsbatterijen, overwegende dat verstrikking zelf geen hulpbron is, " Campaioli, aan de Monash University in Australië, vertelde Phys.org . "Aanvullend, we laten zien dat voor lokaal gekoppelde batterijen het kwantumvoordeel meeschaalt met het aantal op elkaar inwerkende batterijen."

Het kwantumvoordeel is niet zonder grenzen, echter, en de natuurkundigen leiden de bovengrens af van hoeveel sneller een verzameling batterijen kan worden opgeladen met behulp van kwantumverschijnselen. Ze laten zien dat voor lokaal gekoppelde batterijen het kwantumvoordeel groeit met het aantal interacterende batterijen. Deze grenzen voor het kwantumvoordeel zijn gebaseerd op kwantumsnelheidslimieten, die worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de maximale snelheid van kwantumprocessen te schatten, zoals berekeningen op een kwantumcomputer. Hier, de limiet is voor thermodynamische processen.

Algemeen, de resultaten kunnen leiden tot methoden om toekomstige energielaadprocessen op nanoschaal te verbeteren, evenals tot een beter begrip van hoe de kwantumtheorie en de thermodynamica verband houden.

"Ons resultaat zou kunnen worden gebruikt om nano-apparaten die afhankelijk zijn van batterijen die uit weinig kwantumsystemen bestaan, optimaal op te laden. zoals ladingsqubits, ionen of atomen, " zei Campaioli. "Ons plan voor toekomstig onderzoek op dit gebied is om een ​​strakke bovengrens te bieden aan het voordeel dat kan worden verkregen door middel van interacties tussen een eindig aantal lichamen. Verder, we willen graag een experimentele realisatie van het bovengenoemde kwantumvoordeel verkrijgen."

© 2017 Fys.org