Een nieuwe studie door onderzoekers van Lanzhou University en Hubei University stelt een oplaadschema voor kwantumbatterijen (QB) voor, gebaseerd op een rechthoekige holle metalen golfgeleider. Deze aanpak stelt hen in staat om door de omgeving veroorzaakte decoherentie en beperkingen van de oplaadafstand te overwinnen. De bevindingen worden gepubliceerd in Physical Review Letters .

De vraag en het aanbod naar batterijen blijven groeien, waarbij de nadruk ligt op het verbeteren van de energieopslag, de levensduur en de oplaadmogelijkheden. Op dit front ontwikkelen wetenschappers nu kwantumbatterijen die gebruik maken van de principes van de kwantummechanica om energie op te slaan en te leveren.

Het doel is om fundamentele principes van de kwantummechanica, zoals verstrengeling en coherentie, te gebruiken om de beperkingen van de klassieke natuurkunde te overwinnen, waardoor een sterker laadvermogen, een hogere laadcapaciteit en een grotere werkextractie worden bereikt in vergelijking met klassieke tegenhangers.

De nieuwe studie verkent de QB door de batterij en de oplader in een rechthoekige holle golfgeleider te plaatsen. Deze methode heeft tot doel de effecten van decoherentie te verzachten om langdurige en efficiënte QB-prestaties te bereiken.

Sprekend over de motivatie van het team om kwantumbatterijen te onderzoeken, vertelde de hoofdauteur van de studie, prof. Jun-Hong An van de Lanzhou Universiteit, China, aan Phys.org:"Decoherentie-uitdagingen veroorzaken het spontane energieverlies van QB, dat veroudering wordt genoemd van QB."

"De andere uitdaging voor de praktische prestaties van QB is de lage laadefficiëntie als gevolg van de kwetsbaarheid van coherente interacties tussen de QB en zijn oplader. We wilden deze uitdagingen overwinnen."

Quantumbatterij en golfgeleiders

Het QB-model is gebaseerd op twee systemen met twee niveaus (TLS's), dit zijn systemen met twee verschillende energieniveaus. Deze energieniveaus worden doorgaans weergegeven als een grondtoestand en een aangeslagen toestand.

Het ene systeem is de batterij zelf en het andere is de oplader. De laad- en energie-uitwisselingsprocessen tussen deze TLS's spelen een sleutelrol in de werking van het QB-systeem. TLS's worden belast door een coherente koppeling tot stand te brengen met andere TLS's of externe velden.

In de context van QB's is coherente koppeling een gesynchroniseerde en gecorreleerde interactie tussen deze kwantumsystemen, waardoor de overdracht of uitwisseling van energie mogelijk is. Deze coherente interacties zijn kwetsbaar en introduceren decoherentie in deze systemen.

"Elk kwantumsysteem kan niet absoluut geïsoleerd worden van zijn externe omgeving, wat onvermijdelijk ongewenste decoherentie van het systeem teweegbrengt", legt prof. Jun-Hong uit.

Deze modellen realiseren opladen via directe lader-QB-interactie. Deze relatie wordt echter beïnvloed door de afstand tussen de twee, wat resulteert in een afname van de laadefficiëntie. Om dit en het decoherentieprobleem te ondervangen, introduceerden de onderzoekers rechthoekige holle golfgeleiders.

Een golfgeleider is een structuur die golven, meestal elektromagnetische golven, langs een specifiek pad geleidt. Het fungeert als kanaal voor de golven, beperkt ze en zorgt ervoor dat ze zich op een gecontroleerde manier voortbewegen.

"De rechthoekige holle metalen golfgeleider wordt gebruikt om het elektromagnetische veld te verzamelen en te geleiden om de energieoverdracht tussen de QB en de oplader te bemiddelen", aldus prof. Jun-Hong.

De energieoverdracht zelf vindt plaats zonder direct contact tussen de twee TLS's, waardoor een nieuwe benadering van het QB-laadproces wordt geïntroduceerd.

Gekwantiseerde interacties

Het model van de onderzoekers is gebaseerd op de gekwantiseerde interactie tussen het elektromagnetische veld en materie binnen een golfgeleider.

Binnen de grenzen van de golfgeleider bezit het elektromagnetische veld specifieke dispersierelaties en bandgap-structuren, dit zijn parameters die de voortplanting en interacties ervan binnen het kwantumsysteem beïnvloeden.

Aanvankelijk bevindt dit elektromagnetische veld zich in een vacuümtoestand, wat betekent dat er geen fotonen in de modi aanwezig zijn. Ondertussen bevindt de QB zich in de grondtoestand en bevindt de lader zich in een opgewonden toestand.

De lader ondergaat een overgang van een aangeslagen toestand naar de grondtoestand, waarbij een foton in het elektromagnetische veld wordt uitgezonden. Dit introduceert een excitatie in het elektromagnetische veld, wat ertoe leidt dat het veld oneindige modi (of mogelijke configuraties) heeft.

Het foton wordt vervolgens geabsorbeerd door de QB, die overgaat naar een aangeslagen toestand.

Hoewel het hebben van oneindige modi in het elektromagnetische veld doorgaans tot decoherentie in het kwantumsysteem zou leiden, is het verrassende aspect dat de onderzoekers ontdekten dat dit veld met oneindige modi als een omgeving fungeert en, in tegenstelling tot de verwachtingen, coherente energie-uitwisseling tussen QB-laders mogelijk maakt. P>

"Ons werk onthult een mechanisme om een ​​coherente energie-uitwisseling tussen QB-laders mogelijk te maken door de bemiddelende rol van het oneindige elektromagnetische veld", legt prof. Jun-Hong uit.

Oplaaddynamiek en toekomstig werk

De onverwachte bevinding dat decoherentie in het systeem niet leidt tot veroudering van de QB is in tegenspraak met de populaire opvatting. In plaats daarvan merken de onderzoekers op dat de energie-uitwisseling een optimaal laadproces is, wat doorgaans wordt verwacht in scenario's waarin de oplader en de QB rechtstreeks op elkaar inwerken.

Verder toonde hun QB-schema een groot bereik voor draadloos opladen, waarbij de vorming van twee gebonden toestanden in het energiespectrum van de totale systemen (QB-lader-omgeving) een cruciale rol speelde.

"Een boodschap die we mee naar huis kunnen nemen is dat de kwantumverbindingen waar de golfgeleider de voorkeur aan geeft ons een nuttige manier bieden om de uitdagingen bij de praktische realisatie van QB te overwinnen", voegde prof. Jun-Hong eraan toe.

Dit verbetert de effectiviteit van QB en opent de deur naar de mogelijkheid van lichtere en dunnere apparaten met meer gemak, die ook opvallen door hun duurzaamheid.

Prof. Jun-Hong benadrukte ook dat hun apparaat volkomen veilig en onschadelijk was, omdat het elektromagnetische veld altijd binnen de golfgeleider blijft en de energieopslag van de QB, vrij van elektrochemische reacties, oneindige herbruikbaarheid zonder milieuvervuiling bevordert.

De volgende stap voor de onderzoekers is het opschalen van hun QB-schema.

"Meer specifiek zijn we van plan een QB-model voor meerdere lichamen te ontwikkelen dat werkt op het gebied van draadloos opladen op afstand. Dit zou ons in staat kunnen stellen om op efficiënte wijze de superioriteit van kwantumverstrengeling te integreren bij het verbeteren van het laadvermogen, de oplaadcapaciteit en het extraheerbare werk van een opladen op afstand en anti-veroudering QB", besluit prof. Jun-Hong.

Meer informatie: Wan-Lu Song et al, Opladen op afstand en onderdrukking van degradatie voor de Quantum-batterij, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.090401. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.13784

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

© 2024 Science X Netwerk