The kvantpatareid Need on väga lühikese ajaga jõudnud peaaegu ulmelisest ideest päris laboriprototüüpideks. See, mis kuni viimase ajani olid tahvlitel ja simulatsioonidel olevad mudelid, on nüüd füüsilised seadmed, mis on võimelised laadima, energiat salvestama ja tühjendama aegadel, mis lähevad täielikult vastuollu sellega, mida me tavapärase akuna mõistame.
Austraalia teadlaste rühm koos Euroopa ja Aasia meeskondadega on edukalt välja töötanud kvantpatarei esimene funktsionaalne prototüüpPisike süsteem, mis laeb femtosekundite jooksul ja salvestab energiat nanosekundite jooksul, näitab, et see tehnoloogia pole pelgalt teoreetiline. Kuigi mobiiltelefoni või auto toiteks on veel pikk tee minna, avab saavutus ukse ... peaaegu hetkeline laadimine, kõrge efektiivsus ja tohutu eluiga tulevastes rakendustes.
Mis täpselt on kvantpatarei ja kuidas see erineb tavapärasest?
Erinevalt traditsioonilisest liitiumakust, mis salvestab energiat tänu oksüdatsiooni-redutseerimise keemilised reaktsioonidKvantpatarei põhineb kvantmehaanika reeglitel. Ioonide elektroodide vahel elektrolüüdi abil liigutamise asemel kasutab see aatomid, molekulid, kvantpunktid või ülijuhtivad vooluringid nagu väikesed energiarakud, mis võivad korraga mitmes olekus eksisteerida.
Neid kvantrakke saab paigutada a-sse ergastatud olek Kui nad neelavad energiat näiteks valguse footonite kujul, salvestub see energia süsteemi elektroonilises konfiguratsioonis, nagu elektron hüppaks kõrgema energiaga orbiidile. Hiljem saab seda energiat uuesti vabastada, tavaliselt kujul footonid või elektrivoololenevalt sellest, kuidas seade on konstrueeritud.
Peamine on see, et need akud tuginevad sellistele nähtustele nagu superpositsioon, põimumine ja kvantkoherentsusSelle asemel, et iga rakk töötaks isoleeritult, käitub süsteem ühtse kollektiivse kvantüksusena. See kollektiivne käitumine avabki ülikiire laadimisaja ja efektiivsuse, mida klassikalise elektroonikaga on raske võrrelda.
Kui tavalise aku puhul käivad mahtuvus ja laadimisaeg käsikäes – suurem mahtuvus tähendab rohkem aega aku laadimiseks –, siis kvantaku puhul uuritakse vastupidist: Mida suurem on süsteemi maht, seda kiiremini see laadib.See esmapilgul absurdne idee põhineb kvantkontseptsioonidel, mis on vastuolus meie igapäevaelus omatava intuitsiooniga.
Teine oluline erinevus on kulumine. Praegused akud kuluvad iga tsükliga: nad See kaotab mahtuvust, sisemine takistus suureneb Ja tekivad ohutusprobleemid. Kvantumaku ettepanekud, mis ei sõltu keemilistest protsessidest, on suunatud vähendada lagunemist peaaegu tühise tasemeniSee tooks kaasa seadmed, millel oleks praeguse standardiga võrreldes hiiglaslik eluiga.
Peamised kvantmõisted: superpositsioon, põimumine ja superabsorptsioon
Et mõista, miks kvantpatarei nii kiiresti laadida saab, peame vaatama kolme kvantfüüsika põhiideed: kattumine, takerdumine ja kollektiivsed efektid, näiteks superabsorptsioonPole vaja keerulisse matemaatikasse laskuda, aga tuleb leppida sellega, et subatomaarsel skaalal ei toimi asjad samamoodi nagu makroskoopilises maailmas.
Superpositsioonis saab kvantsüsteemi mitmes energiaseisundis samaaegselt kuni see on mõõdetud. See võimaldab teoreetiliselt kvantakul salvestada energiat mitme energiataseme kombinatsioonina korraga, suurendades energiatihedust, mida saab akumuleerida väga väikeses mahus.
Põimumine on veelgi vastuolulisem nähtus: mitu osakest või kvantrakku käituvad nii, nagu oleksid nad üks lahutamatu süsteemSee, mis juhtub ühe elemendiga, mõjutab koheselt ülejäänuid, isegi kui need on eraldatud. Aku kontekstis võimaldab see salvestusrakud teevad omavahel koostööd laadimise ja mahalaadimise ajal, selle asemel, et töötada iseseisvalt.
Sellest koostööst tuleneb nn. superabsorptsioonKlassikalises süsteemis, kui lisame rohkem molekule või rakke, kasvab energia neeldumise võime lineaarselt: kaks korda rohkem rakke, kaks korda suurem neeldumine. Põimunud ja koherentses kvantsüsteemis võib neeldumine kasvada nii, et... superlineaarne või superekstensiivne: elementide arvu suurenedes kasvab laadimisvõimsus kiiremini kui süsteemi suurus.
See tähendab, et suurem kvantaku võiks laadimine isegi kiiremini kui väikeMolekulid lakkavad vihmas käitumast nagu üksikud kuubikud ja toimivad hoopis omamoodi "supermolekulidena", mis püüavad valgusenergiat palju tõhusamalt kinni. See on paradigma muutus, mis muudab selle tehnoloogia tulevikuenergia jaoks nii atraktiivseks.
Esimene funktsionaalne prototüüp: Austraalia orgaaniline mikroõõnsus
Kõige käegakatsutavam näide sellest kõigest tuleb meeskonnalt, mida juhib James Quach ja Kieran Hymas, mis on seotud CSIRO ja Adelaide'i ülikooliga. Pärast mitmeaastast tööd mudelite ja osaliste prototüüpidega on neil õnnestunud luua töökorras kvantaku, mis on võimeline läbima täistsükli energia laadimine, salvestamine ja tühjendamine.
Teie seade põhineb orgaaniline mikroõõnsusSeda võib ette kujutada kui pisikest hoolikalt laotud materjalidest koosnevat võileiba. Süsteemi keskmes on väga õhuke kiht... Polümeermaatriksis dispergeeritud madala massiga molekulaarne pooljuhtSee aktiivne kiht sadestatakse täpsete tehnikate, näiteks tsentrifuugkatmise abil, ja asetatakse kahe dielektrilise peegli vahele, mis moodustavad optilise õõnsuse.
Selle mikroõõnsuse ülesanne on sundida a tugev seos valguse ja aine vahelKui footonid sisenevad õõnsusse, jäävad nad peeglite vahel põrgates lõksu ja kombineeruvad orgaaniliste molekulide ergastatud olekutega, tekitades valguse ja aine hübriidseisundid. Selles olekus lakkavad molekulid iseseisvalt toimimast ja muutuvad... võnguvad ja neelavad energiat koordineeritult.
Varasemates katsetes oli sama rühm juba näidanud, et kui suurendage õõnsuse suurust ja molekulide arvuLaadimisaeg lühenes tänu superabsorptsioonile. Neil prototüüpidel oli aga oluline piirang: nad ei olnud võimelised eraldada salvestatud energia ja muuta see kasulikuks elektrivooluksTeisisõnu, nad laadisid, aga ei toiminud täisakuna.
Ajakirjas Light: Science & Applications avaldatud uus töö lahendab selle kitsaskoha. Meeskond on lisanud täiendavad kihid kaubaveoks struktuuri sees, võimaldades eksitoonsel energial koguda ja muuta mõõdetavaks elektrivooluks. Sel viisil lakkab seade olemast pelgalt "valguse reservuaar" ja muutub funktsionaalne kvantpatarei toatemperatuuril.
Äärmuslikud laadimiskiirused ja prototüübi praegused piirangud
Selle prototüübi üks silmatorkavamaid omadusi on laadimisaeg. Aku laeb vaid mõne sekundiga. femtosekundidSee tähendab intervalli, mis võrdub ühe miljondikosa triljondiksekundiga. Et teile aimu anda, kui me selle jõudluse igapäevaseks kasutamiseks mõeldud akule teisendaksime, siis me räägiksime peaaegu hetkeline laadimine mobiiltelefonide, arvutite või elektriautode jaoks.
Teises äärmuses on demonstreeritud säilitusaeg skaalal nanosekundidumbes miljon korda pikem kui laadimisaeg. Quach selgitab seda tavaliselt lihtsa analoogiaga: kui aku laeks ühe minutiga sama kiirusega, siis see võiks säilitada koormust aastaidSee on graafiline viis illustreerida tohutut eelist laadimisaja ja säilivusaja suhte osas, isegi kui me oleme endiselt pisikeses süsteemis.
Probleem on selles, et absoluutne salvestatud energia hulk See on ikka väga madal. Me räägime miljardite elektronvoltide suurusjärkudest – see arv kõlab võimsalt, aga praktikas pole see midagi. Sellest ei piisa isegi kõige lihtsama elektroonilise seadme toiteks, mida me iga päev kasutame.
Lisaks asjaolu, et kvantkoherentsus kaob nanosekundites See piirab radikaalselt koheseid rakendusi. Kvantsüsteemi isoleerimine vibratsioonidest, termilistest kõikumistest ja välisväljadest on tohutu väljakutse. See "dekoherentsus" on mõlema suur vaenlane. kvantpatareid nagu kvantarvutite puhul, ja sunnib meid esialgu töötama mikroskoopilistel mastaapides ja väga kontrollitud keskkondades.
Kõik see paneb teadlasi endid oma lubadustega ettevaatlikud olema. Nad tunnistavad, et kuigi prototüüp on kontseptsiooni oluline tõestus, oleme me sellest veel kaugel. kvantpatareid elektriautodes, mobiiltelefonides või kodusüsteemidesJärgmised sammud hõlmavad seadme suuruse suurendamist, õõnsuste arhitektuuri täiustamist ja ennekõike pikendada energia salvestamise aega kaotamata superabsorptsiooni eeliseid.
Lähimad rakendused: kvantarvutid ja ülitäpsed seadmed
Selle tehnoloogia kõige vahetumat mõju saab olla järgmistes valdkondades: kvantarvutusNeed arvutid töötavad kubitide abil, mida tuleb juhtida äärmise täpsusega ja sageli väga madalatel temperatuuridel. Toiteallikas, mis põhineb samad kvantprintsiibid mis reguleerivad protsessori loogikat, võivad pakkuda olulisi eeliseid.
Mitmed teoreetilised uuringud viitavad sellele, et kvantpatareid võiksid olla Puuduv tükk kvantarvutite skaleerimiseks tööstuslikult kasulike suuruste suunas. Pakkudes energiapurskeid, mis on ideaalselt sünkroniseeritud kubitite kvantseisunditega, võiksid nad vähendada kahjusid, parandada stabiilsust ja optimeerida kontrolli kõige keerukamate algoritmide hulgas.
Samuti kaalutakse kasutusvõimalusi süsteemides, mis nõuavad väga kiired energialaengud ülilühikeste ajavahemike puhul, näiteks teatud tüüpi kvantandurite, ülimalt keerukate meditsiiniseadmete või isegi side- ja satelliitelementide puhul, kus ajastus ja võimsus lühikeste tippude ajal on kriitilise tähtsusega.
Teine huvitav rakendus, mida uuritakse, on kaugjuhtimispuldi laadimineMõned disainilahendused, sealhulgas hiljutine Hiina ettepanek, viitavad kasutamisele väikeste metalltorude tekitatud magnetväljad aku sees, et võimaldada kontaktivaba laadimist minimaalse halvenemisega. Ideaalses stsenaariumis võiksid sellised seadmed nagu droonid, autod või linnas laiali paigutatud andurid saada täielikult töökorras võimsus ilma et peaks peatuma või vooluvõrku ühendama.
Kujutades ette hüpet suuremas mastaabis, võiksime jõuda punkti, kus kellad, südamestimulaatorid, nutitelefonid, sülearvutid või sõidukid Need laadiksid sekunditega ja vajaksid kogu oma eluea jooksul minimaalset hooldust. Sellegipoolest tunnistavad eksperdid ise, et need visioonid, olgugi kui ahvatlevad, tuleb siiski ületada. tohutud tehnilised väljakutsed muutuvad igapäevaseks.
Tehnilised väljakutsed: tehnoloogia dekoherentsus, stabiilsus ja skaleeritavus
Kvantpatareide peamine takistus on selle säilitamine. koherentsed kvantseisundid piisava aja jooksulIgasugune interaktsioon keskkonnaga – vibratsioon, temperatuurimuutused, elektromagnetiline müra – võib hävitada õrna põimumise, mis võimaldab superabsorptsiooni. See protsess... dekoherentsusSee põhjustab süsteemi ülemineku kollektiivselt kvantkäitumiselt klassikalisele ja palju vähem efektiivsele käitumisele.
Praegustes katsetes mõõdetakse energia retentsiooniaegu nanosekundid või mikrosekundidSellest piisab nähtuse füüsika demonstreerimiseks, kuid see on valgusaastate kaugusel sellest, mida praktiline seade nõuaks, kuna see peab säilitama energiat minutite, tundide või päevade jooksul. Nende aegade pikendamine kollektiivse kvantkäitumise kaotamata on üks peamisi uurimisvaldkondi.
Teine väljakutse on tehnoloogia skaleerimineMiljonite või miljardite kvantrakkude stabiilne kokkupõrge pole tühine ülesanne. See nõuab mikroõõnsuste, orgaaniliste või ülijuhtivate materjalide ning lainejuhtide või vooluringide arhitektuuri valmistamise peent kontrolli. Iga defekt või asümmeetria võib rikkuda süsteemi tasakaalu saavutamiseks vajaliku sümmeetria. tume või üliimav olek soovitud.
Mõned rühmad, näiteks Pisa ülikooli või Pariisi PSL-i uurimisülikooli omad, uurivad ... kasutamist. madala temperatuuriga ülijuhtivad vooluringid kvantpatareide rakendamiseks. Neil materjalidel puudub praktiliselt elektriline takistus, mis aitab minimeerida kadusid. Praegu jäävad nende ettepanekud teoreetiliseks, kuid pakuvad alternatiivsed projekteerimismarsruudid väljaspool orgaanilisi mikroõõnsusi.
Lisaks on veel kolmas probleem: tööstuslik tootmineMikromeetri või nanomeetri mastaabis laboriprototüübilt kommertsseadmetele, mis on integreeritud paneelidesse, autodesse või elektrivõrkudesse, on vaja välja töötada korduvaid, odavaid ja töökindlaid tootmisprotsesse. See hõlmab õhukese kile sadestamise, klassikalise elektroonikaga integreerimise ja materjali laiaulatusliku kvantkvaliteedi kontrolli valdamist.
Topoloogia panus ja kõige arenenumad teoreetilised ettepanekud
Lisaks eksperimentaalsetele prototüüpidele täiustab teadusringkond teooriat, et leida kvantpatareide disaine. reaalsetes tingimustes vastupidavam ja tõhusamHea näide on RIKENi kvantarvutuse keskuse ja Huazhongi teadus- ja tehnoloogiaülikooli ühistöö Hiinas, mis pakub välja kasutamise topoloogia kontseptsioonid energia ülekande ja salvestamise parandamiseks.
Topoloogia on matemaatika haru, mis uurib süsteemide omadusi, mis need ei muutu pideva deformatsiooni korralFotoonika ja kvantsüsteemide puhul võimaldab see kujundada struktuure, näiteks topoloogilised fotoonilised lainejuhid, kus energia saab liikuda praktiliselt ilma kadude või hajumiseta, isegi kui keskkond pole täiuslik.
Nende teadlaste analüüs näitab, et kvantpatarei, mis on disainitud koos footonlainejuhid ja kahetasandilised aatomid See suudab energiat peaaegu ideaalselt süsteemi eri osade vahel üle kanda. Lisaks tuvastavad need konfiguratsioonid, milles seade on praktiliselt hajumise suhtes immuunne, mis on üks peamisi probleeme kvantkoherentsi ja efektiivsuse säilitamisel.
Idee seisneb selles, et topoloogilisi omadusi ära kasutades on võimalik seda saavutada Energia voolab läbi "kaitstud kanalite" aku sees, nii et defektidel, lisanditel või materjali väikestel erinevustel on minimaalne mõju. Kuigi need on praegu teoreetilised tulemused, pakuvad nad Väärtuslik juhend tulevaste topoloogiliste kvantpatareide kujundamiseks paremate omadustega.
Selle töö esimese autori Zhi-Guang Lu sõnul aitavad need ettepanekud ületada kvantpatareide praktilisi piiranguid, mis on tingitud pikamaaülekanne ja energia hajumineKui neid ideid suudetakse laborisse üle kanda, võiksime näha äärmiselt tõhusaid mikroenergia salvestusseadmeid, millel on võtmeroll andurivõrgud, manussüsteemide elektroonika ja hajuskvantarvutus.
Võimalik mõju energiale ja tulevikutehnoloogiale
Kui kõik need uurimissuunad vilja kannavad, on kvantpatareidel potentsiaali revolutsiooniliselt energia salvestamist nii väikeses kui ka suures mastaabis. Näiteks elektrimobiilsuses võimaldaksid need auto laadimine ajaga, mis on võrreldav bensiinipaagi täitmisega, kõrvaldades ühe peamise takistuse elektriautode massilisele kasutuselevõtule.
Tarbeelektroonikas saab nutitelefoni, sülearvutit või nutikella laadida sekundite küsimus ja toimivad päevi või nädalaid, praktiliselt ilma aastate jooksul halvenemata. See muudaks täielikult meie suhet seadmetega, kus "aku ärevus" ei oleks enam igapäevane probleem.
Tööstus- ja teadusvaldkonnas võiksid kvantpatareid olla ideaalsed süsteemide toiteks, mis vajavad väga kontsentreeritud võimsuspiigid ülikiirete aegade jooksul: alates täiustatud magnetresonantsi seadmetest kuni osakestekiirendite, satelliitsidesüsteemide või kriitiliste hädaolukorra instrumentideni.
Veelgi enam, sõltumata sellest tuleohtlikud elektrolüüdid või keerulised keemilised reaktsioonidNeed akud oleksid loomupäraselt ohutumad rikete, ülekuumenemise või lühiste suhtes. Ja koos laserite või magnetväljade abil juhtmevaba laadimise võimalusega avaks need ukse... traadita energiataristukus energia voolab seadmetesse peaaegu nähtamatult.
Kõik see aitab kaasa lootustandvama tuleviku visiooni kujunemisele. jätkusuutlik ja tõhusPeaaegu täiuslik energiasalvestussüsteem minimaalsete kadude ja praktiliselt lõpmatute tsüklitega vähendaks drastiliselt vajadust toota ja ringlusse võtta akud kriitiliste materjalidega ning sobiks väga hästi taastuvenergia laiendamine, kes vajavad mitmekülgseid ja kiireid hoiulahendusi.
Kuid teadusringkond ise nõuab tänaseni, et me vajame kümme aastat või rohkem et näha kvantpatareide esimesi selgeid kommertsrakendusi igapäevastes elektroonikaseadmetes. Seniks näeme üha keerukamad prototüübid, säilivusaegade paranemine ja hübriiddisainid mis ühendavad kvantkiiruse klassikaliste akude mahutavusega.
Kogu selle tegevusega, mis toimub Austraalia, Euroopa ja Aasia laborites, on kvantpatareid end kehtestamas kui üks paljulubavamaid tehnoloogiaid energiavaldkonnas: valdkond, kus valgus, aatomid ja füüsika kõige kummalisemad printsiibid kombineeruvad, luues stsenaariumi, kus Seadme laadimine peaks olema peaaegu sama kohene ja nähtamatu kui tule süütamine..
