Физики подтвердили экспериментальным путем возможность создания квантовых аккумуляторных батарей - «Наука и технологии»

Так называемые квантовые аккумуляторные батареи имеют огромный потенциал и способны произвести революцию в области технологий аккумулирования энергии. Как и все квантовые вещи, квантовые батареи обладают одним парадоксальным свойством, чем больше сама батарея и ее емкость, тем быстрее она будет заряжаться. И недавно группа ученых-физиков продемонстрировала в ходе эксперимента реализацию принципа квантово-механической суперадсорбции, принципа, который в будущем может стать основой работы квантовых батарей.

Странный мир квантовой механики буквально наполнен явлениями, которые с обычной точки зрения кажутся полностью невозможными. Даже достаточно большие молекулы могут "переплестись" так, что они начинают демонстрировать коллективное поведение, становясь, по сути, квантовым объектом более крупного масштаба. Такое коллективное поведение затрагивает собой свойство суперадсорбции (суперпоглощения), которое повышает способности молекулы к поглощению фотонов света и накоплению энергии.

"Cуперадсорбция является коллективным квантовым эффектом, в котором непосредственно задействованы переходы между энергетическими состояниями молекул" - рассказывает Джэймс Куач (James Quach), исследователь из университета Аделаиды, - "В этом деле принимает непосредственное участие так называемая конструктивная интерференция, которой подвержены волн всех длин (свет, радиоволны, звук и даже механические колебания). Такая интерференция происходит, когда волны с различными длинами складываются и оказывают большее влияние на окружающую среду, чем волны только с одной длиной волны. На квантовом уровне это позволяет объединению молекул поглощать свет более эффективно, чем в случае, если бы каждая из молекул работала индивидуально".

Квантовое коллективное поведение молекул, составляющих рабочее тело аккумуляторной батареи, приводит к появлению озвученного в начале статьи парадокса - чем большее количество молекул входит в состав батареи, тем больше ее емкость и тем быстрее она может быть заряжена. По крайней мере, так все должно работать согласно теории.

Однако, эффект суперадсорбции до последнего времени был продемонстрирован только в масштабах, которые совершенно не подходят для практической реализации квантовых батарей. И лишь недавно ученым удалось сдвинуть все это с места при помощи нового экспериментального устройства. В основу этого устройства лег активный слой из молекул вещества-красителя Lumogen-F Orange, которые достаточно легко адсорбируют фотоны света. Этот слой был расположен в оптической микрополости между двумя зеркалами.

Зеркала, окружающие оптическую полость, являются не совсем простыми, они состоят из чередующихся слоев диэлектрических материалов, диоксида кремния и пятиокиси ниобия. Такие зеркала называют распределенными отражателями Брэгга (distributed Bragg reflector) и они отражают намного больше фотонов света, чем обычные стеклянные зеркала с металлическим покрытием.

Затем, при помощи технологии сверхскоростной переходной абсорбционной спектроскопии, исследователи провели измерения параметров, имеющих отношение к процессу аккумулирования и хранения энергии молекулами вещества Lumogen-F Orange. Но самым интересным оказался момент, когда исследователи увеличили размер оптической полсти и количество заключенных в ней молекул поглотителя. Время полной "зарядки" этого накопителя оптической энергией уменьшилось, демонстрируя непосредственную работу эффекта суперадсорбции.

И в заключение следует заметить, что данные исследования, касающихся квантовых аккумуляторных батарей, находятся на самой ранней стадии. Тем не менее, этими исследованиями сейчас закладывается основа для создания практических технологий, которые в будущем смогут обеспечить чрезвычайно быструю зарядку электрических транспортных средств, обеспечить высокоэффективное промежуточное хранение энергии из возобновляемых источников и т.п.