Batterijen die kwantumfenomenen exploiteren om energie te verkrijgen, te distribueren en op te slaan, beloven de capaciteiten en bruikbaarheid van conventionele chemische batterijen in bepaalde toepassingen met laag vermogen te overtreffen. Voor het eerst profiteren onderzoekers, waaronder die van de Universiteit van Tokio, van een niet-intuïtief kwantumproces dat voorbijgaat aan het conventionele idee van causaliteit om de prestaties van zogenaamde kwantumbatterijen te verbeteren, waardoor deze toekomstige technologie een beetje dichter bij de realiteit komt.

Wanneer je het woord 'kwantum' hoort, de fysica die de subatomaire wereld regeert, hebben de ontwikkelingen in kwantumcomputers de neiging de krantenkoppen te stelen, maar er zijn nog andere opkomende kwantumtechnologieën die de moeite waard zijn om aandacht aan te besteden. Eén zo'n item is de kwantumbatterij die, hoewel de naam aanvankelijk een raadsel is, onontgonnen potentieel biedt voor duurzame energieoplossingen en mogelijke integratie in toekomstige elektrische voertuigen. Niettemin staan ​​deze nieuwe apparaten klaar om gebruikt te worden in diverse draagbare en energiezuinige toepassingen, vooral wanneer de mogelijkheden om op te laden schaars zijn.

Op dit moment bestaan ​​kwantumbatterijen alleen als laboratoriumexperimenten, en onderzoekers over de hele wereld werken aan de verschillende aspecten die naar verwachting ooit zullen worden gecombineerd tot een volledig functionerende en praktische toepassing. Afgestudeerde student Yuanbo Chen en universitair hoofddocent Yoshihiko Hasegawa van de afdeling Informatie- en Communicatietechniek van de Universiteit van Tokio onderzoeken de beste manier om een ​​kwantumbatterij op te laden, en dit is waar de tijd een rol gaat spelen. Een van de voordelen van kwantumbatterijen is dat ze ongelooflijk efficiënt moeten zijn, maar dat hangt af van de manier waarop ze worden opgeladen.

"De huidige batterijen voor apparaten met een laag vermogen, zoals smartphones of sensoren, gebruiken doorgaans chemicaliën zoals lithium om lading op te slaan, terwijl een kwantumbatterij microscopisch kleine deeltjes zoals reeksen atomen gebruikt", zegt Chen. "Hoewel chemische batterijen worden beheerst door klassieke natuurwetten, zijn microscopisch kleine deeltjes kwantumvormig van aard, dus we hebben een kans om manieren te onderzoeken om ze te gebruiken die onze intuïtieve opvattingen over wat er op kleine schaal gebeurt, verbuigen of zelfs breken. Ik ben in het bijzonder geïnteresseerd in de manier waarop kwantumdeeltjes een van onze meest fundamentele ervaringen, die van de tijd, kunnen schenden."

In samenwerking met onderzoeker Gaoyan Zhu en professor Peng Xue van het Beijing Computational Science Research Center experimenteerde het team met manieren om een ​​kwantumbatterij op te laden met behulp van optische apparaten zoals lasers, lenzen en spiegels, maar de manier waarop ze dit bereikten maakte een kwantumeffect noodzakelijk waarbij gebeurtenissen zijn niet causaal verbonden zoals alledaagse dingen.

Eerdere methoden om een ​​kwantumbatterij op te laden omvatten een reeks laadfasen na elkaar. Hier gebruikte het team echter een nieuw kwantumeffect dat zij onbepaalde causale orde of ICO noemen. In het klassieke domein volgt causaliteit een duidelijk pad, wat betekent dat als gebeurtenis A tot gebeurtenis B leidt, de mogelijkheid dat B A veroorzaakt, uitgesloten is. Op kwantumschaal laat ICO echter beide richtingen van causaliteit bestaan ​​in wat bekend staat als een kwantumsuperpositie, waar beide tegelijkertijd waar kunnen zijn.

"Met ICO hebben we aangetoond dat de manier waarop je een batterij oplaadt die uit kwantumdeeltjes bestaat, de prestaties ervan drastisch kan beïnvloeden", aldus Chen. "We zagen enorme winsten in zowel de energie die in het systeem is opgeslagen als de thermische efficiëntie. En enigszins contra-intuïtief ontdekten we het verrassende effect van een interactie die het omgekeerde is van wat je zou verwachten:een oplader met een lager vermogen zou hogere energieën kunnen leveren met meer energie." efficiëntie dan een oplader met een vergelijkbaar hoger vermogen die hetzelfde apparaat gebruikt."

Het door het team onderzochte fenomeen ICO zou toepassingen kunnen vinden die verder gaan dan het opladen van een nieuwe generatie apparaten met een laag vermogen. De onderliggende principes, inclusief het hier blootgelegde omgekeerde interactie-effect, zouden de prestaties kunnen verbeteren van andere taken waarbij thermodynamica of processen waarbij warmteoverdracht betrokken is, betrokken zijn. Een veelbelovend voorbeeld zijn zonnepanelen, waar hitte-effecten hun efficiëntie kunnen verminderen, maar ICO zou kunnen worden gebruikt om deze te verzachten en in plaats daarvan tot efficiëntiewinsten te leiden.

Meer informatie: Quantumbatterijen opladen via een onbepaalde causale volgorde:theorie en experiment, fysieke beoordelingsbrieven (2023). journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.131.240401

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Universiteit van Tokio