Recente theoretische studies aan de Monash University brengen ons een stap dichter bij realistische kwantumbatterijen.

Dergelijke technologie zou afhangen van het energieverschil dat wordt geboden door verschillende kwantumtoestanden, in plaats van op elektrochemische veranderingen, zoals het geval is bij traditionele batterijen.

Quantumbatterijen bieden ook potentieel voor een veel betere thermodynamische efficiëntie, en ultrasnelle oplaadtijd.

De studie, die mede geleid werd door FLEET's Meera Parish en Jesper Levinsen, breidde eerder onderzoek uit naar individuele, geïsoleerde kwantumbatterijen om een ​​meer realistische, veellichamensysteem met intrinsieke interacties. De onderzoekers toonden aan dat interacterende kwantumbatterijen sneller opladen dan geïsoleerde batterijen.

Betere (kwantum)batterijen bouwen

Met de toename van mobiel computergebruik komt er een overeenkomstige vraag naar steeds efficiëntere, steeds sneller opladende batterijen.

Quantumbatterijen presenteren een mogelijke toekomst, met kwantumverstrengeling (Einsteins beroemde "spookachtige actie op afstand"), biedt het potentieel voor prestaties die de klassieke technologie ver overtreffen.

De sleutel tot elke batterij is het verschil tussen de opgeladen en ongeladen toestand. In elektrochemische batterijen, zoals het lithium-ionpakket van een iPhone, dit vertegenwoordigt een verschil in opgeslagen elektronische lading. In het Snowy River-aangedreven hydro-schema, het is het verschil tussen water opgeslagen op hogere of lagere hoogten. In elk geval, dat opgeslagen energie beschikbaar is om te worden gebruikt om werk te doen.

Klassieke batterijen zoals deze voorbeelden werken echter op slechts een klein deel van de theoretische thermodynamische limieten.

In een kwantumbatterij, zo'n verschil zou afhangen van kwantumverstrengeling:de kwantumverbinding tussen deeltjes met identieke kwantumgolfvormen. Een paar verstrengelde kwantumbatterijen presteren veel beter dan één alleen, in feite zou in theorie de prestatie van een voldoende groot aantal verstrengelde kwantumbatterijen 100 procent van de thermodynamische limiet kunnen benaderen.

Het verhoogde vermogen van een verstrengeling-versterkte kwantumbatterij maakt het theoretisch mogelijk dat kwantumbatterijen veel sneller worden opgeladen dan hun klassieke tegenhangers.

Eerder onderzoek naar kwantumbatterijen ging uit van discrete, onafhankelijke kwantumsystemen die afhankelijk zijn van wereldwijde, veellichaamsinteracties om een ​​kwantumvoordeel in laadvermogen te bereiken.

De recente Monash-studie beschouwde in plaats daarvan meer realistische kwantumbatterijen, met intrinsieke veellichaamsinteracties.

Quantum-spinketens bleken een veelbelovend platform voor kwantumbatterijen. Spinketens bestaan ​​uit een aantal spins die op een eendimensionale lijn zijn gerangschikt en hebben sinds de begindagen van de kwantumfysica gediend als een belangrijk en vruchtbaar model voor meer gecompliceerde systemen.

De onderzoekers ontdekten dat dergelijke kwantumbatterijen, gekoppeld via spin-spin-interacties laden sneller op dan hun niet-interagerende tegenhangers.

interessant, de onderzoekers ontdekten ook dat dit oplaadvoordeel niet te wijten was aan (kwantum noch klassieke) correlaties, zoals in eerder werk het geval was, maar was eerder te wijten aan het gemiddelde veldeffect van interacties tussen de spins.

Verder in de Monash-studie, de batterijen werden opgeladen door lokale velden, in plaats van de gebruikelijke collectieve heffing.

Het werk laat ook zien hoe de energiestructuur van de kwantumbatterijen kan worden geconstrueerd om ultrasnel opladen te bieden.

Dit werk demonstreert de samensmelting van realistische systemen van gecondenseerde materie met kwantumthermodynamica, culminerend in potentieel realiseerbare kwantumbatterijen met veel lichamen.

Het was ook de eerste keer dat het opladen van batterijen werd verondersteld te gebeuren door lokaal toegepaste velden, in plaats van de gebruikelijke collectieve heffing.

De studie, Spin-chain-model van een kwantumbatterij met veel lichamen, werd mede geleid door Thao P. Le en gepubliceerd in Fysieke beoordeling A in februari 2018.

Niet-evenwichtsfysica en FLEET

Het forceren van een kwantumbatterij in een nieuwe, geladen toestand is een voorbeeld van niet-evenwichtsfysica, waarin systemen uit evenwicht in een tijdelijke toestand worden gedwongen.

Het is een relatief nieuwe, en spannend gebied, en een paradigmaverschuiving in materiaaltechniek.

Bij VLOOT, niet-evenwichtsmechanismen worden nagestreefd door onderzoekers in onderzoeksthema 3 van het Centrum, licht-getransformeerde materialen, met als doel het bereiken van nulweerstandspaden voor elektrische stroom, als onderdeel van de missie van het Centrum om een ​​nieuwe generatie elektronica met ultralage energie te ontwikkelen.

Bijvoorbeeld, kort, intense uitbarstingen van licht kunnen worden gebruikt om materie tijdelijk te dwingen een nieuwe, onderscheiden topologische toestand of te verschuiven naar een superfluïde toestand.

De bereikte gedwongen toestand is slechts tijdelijk, maar onderzoekers leren enorm veel over de fundamentele fysica van topologische isolatoren en superfluïden terwijl ze de materiële verschuivingen tussen natuurlijke en gedwongen toestanden observeren, over een periode van enkele microseconden.

Het onderzoek van Meera Parish en Jesper Levinsen binnen FLEET's onderzoeksthema 3 streeft naar begrip en controle van interacties tussen deeltjes in kwantummaterie, inclusief:

• Verschillen tussen systemen die slechts uit een paar deeltjes bestaan, en systemen met veel deeltjes
• Effecten van het beperken van het systeem tot 1D of 2-D
• Gedrag van quasideeltjes in het systeem.

FLEET is een door de Australian Research Council gefinancierd onderzoekscentrum dat meer dan honderd Australische en internationale experts samenbrengt om een ​​nieuwe generatie ultra-lage energie-elektronica te ontwikkelen.

De Theory of Quantum Matter-groep adverteert momenteel voor een Ph.D. positie, het bestuderen van de fysica van ultrakoude atomaire gassen.