Superabsorpcja kluczem do akumulatorów kwantowych nowej generacji

Naukowcy z University of Adelaide i ich zagraniczni partnerzy podjęli kluczowy krok w urzeczywistnianiu baterii kwantowych. Udało im się udowodnić koncepcję superabsorpcji, kluczowej idei leżącej u podstaw baterii kwantowych.

Akumulator kwantowy (The University of Adelaide)

Baterie kwantowe mogą pewnego dnia zrewolucjonizować magazynowanie energii poprzez coś, co wydaje się paradoksem – im większa bateria, tym szybciej się ładuje. Po raz pierwszy zespół naukowców zademonstrował mechanikę kwantową superabsorpcji, która stanowi podstawę baterii kwantowych, w urządzeniu do weryfikacji koncepcji.

Dziwaczny świat fizyki kwantowej jest pełen zjawisk, które wydają się nam niemożliwe. Na przykład cząsteczki mogą być tak splecione, że zaczynają działać wspólnie, a to może prowadzić do szeregu efektów kwantowych. Obejmuje to superabsorpcję, która zwiększa zdolność cząsteczki do pochłaniania światła.

„Superabsorpcja to kwantowy efekt kolektywny, w którym przejścia między stanami cząsteczek zakłócają się konstruktywnie” – powiedział James Quach, autor badania. „Konstruktywna interferencja występuje we wszystkich rodzajach fal (światło, dźwięk, fale na wodzie) i pojawia się, gdy różne fale sumują się, aby dać większy efekt niż każda z fal osobno. Co najważniejsze, pozwala to połączonym cząsteczkom absorbować światło wydajniej, niż gdyby każda cząsteczka działała indywidualnie”.

W baterii kwantowej to zjawisko przyniosłoby bardzo wyraźną korzyść. Im więcej masz molekuł magazynujących energię, tym wydajniej będą one w stanie wchłonąć tę energię – innymi słowy, im większa bateria, tym szybciej będzie się ładować.

Przynajmniej tak to powinno działać w teorii. Nie udało się jeszcze zademonstrować superabsorpcji na wystarczająco dużą skalę, aby zbudować baterie kwantowe, ale nowe badanie właśnie to umożliwiło. Aby zbudować urządzenie testowe, naukowcy umieścili aktywną warstwę molekuł pochłaniających światło – barwnika znanego jako Lumogen-F Orange (LFO) – w mikrownęce między dwoma lustrami.

„Lustra w tej mikrownęce zostały wykonane standardową metodą, aby uzyskać wysokiej jakości lustra” — wyjaśnił Quach. „Ma to na celu użycie naprzemiennych warstw materiałów dielektrycznych – dwutlenku krzemu i pięciotlenku niobu – w celu stworzenia tak zwanego „rozproszonego odbłyśnika Bragga”. W ten sposób powstają lustra, które odbijają znacznie więcej światła niż typowe lustro metalowe/szklane. Jest to ważne, ponieważ chcemy, aby światło pozostawało w jamie tak długo, jak to możliwe”.

Schemat mikrojakości LFO
Schemat mikrojakości LFO (Lumogen-F orange)

Następnie zespół wykorzystał ultraszybką spektroskopię absorpcji stanów przejściowych, aby zmierzyć, w jaki sposób cząsteczki barwnika magazynują energię i jak szybko ładuje się całe urządzenie. I rzeczywiście, wraz ze wzrostem wielkości mikrownęki i liczby molekuł, czas ładowania się skrócił, wykazując działanie superabsorpcji.

Ostatecznie ten przełom może utorować drogę praktycznym bateriom kwantowym, tworząc szybko ładujące się pojazdy elektryczne lub systemy magazynowania energii, które poradzą sobie z wybuchami energii ze źródeł odnawialnych. Ale oczywiście to wciąż bardzo wczesne dni dla tych badań.

„Pomysł tutaj jest dowodem na to, że w takim urządzeniu możliwa jest zwiększona absorpcja światła” — powiedział Quach. „Kluczowym wyzwaniem jest jednak wypełnienie luki między dowodem słuszności zasady dla małego urządzenia, a wykorzystaniem tych samych pomysłów w większych, użytecznych urządzeniach. Następnym krokiem jest zbadanie, w jaki sposób można to połączyć z innymi sposobami przechowywania i przesyłania energii, aby zapewnić produkt, który może być praktycznie przydatny”.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Science Advances.

➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!

źródło: University of Adelaide | Scimex | New Atlas