Доказательство концепции подтверждает физику, которая может позволить использовать квантовые батареи

Квантовые батареи однажды могут произвести революцию в хранении энергии благодаря тому, что кажется парадоксом: чем больше батарея, тем быстрее она заряжается. Группа ученых впервые продемонстрировала квантово-механический принцип сверхпоглощения, лежащий в основе квантовых батарей, в испытательном устройстве.

Причудливый мир квантовой физики полон явлений, которые кажутся нам невозможными. Молекулы, например, могут настолько переплестись, что начинают действовать коллективно, и это может привести к целому ряду квантовых эффектов. Это включает в себя сверхпоглощение, которое повышает способность молекулы поглощать свет.

«Сверхпоглощение — это квантовый коллективный эффект, при котором переходы между состояниями молекул конструктивно интерферируют», — сказал Джеймс Куач, автор исследования.

«Конструктивная интерференция появляется во всех видах волн (свет, звук, волны на воде) и возникает, когда разные волны складываются, чтобы дать больший эффект, чем любая волна по отдельности. Важно отметить, что это позволяет объединенным молекулам поглощать свет более эффективно, чем если бы каждая молекула действовала по отдельности».

В квантовой батарее это явление имело бы очевидную пользу. Чем больше у вас молекул, хранящих энергию, тем эффективнее они смогут поглощать эту энергию — другими словами, чем больше вы сделаете батарею, тем быстрее она будет заряжаться.

По крайней мере, так это должно работать в теории. Сверхпоглощение еще предстояло продемонстрировать в масштабе, достаточном для создания квантовых батарей, и в новом исследовании удалось сделать именно это. Чтобы создать тестовое устройство, ученые поместили активный слой светопоглощающих молекул — красителя, известного как Lumogen-F Orange, — в микрополость между двумя зеркалами.

«Зеркала в этом микрорезонаторе были изготовлены с использованием стандартного метода изготовления высококачественных зеркал», — пояснил Джеймс Куач.

«Это использование чередующихся слоев диэлектрических материалов — диоксида кремния и пятиокиси ниобия — для создания так называемого «распределенного брэгговского отражателя». Мы создаем зеркала, которые отражают гораздо больше света, чем обычное зеркало из металла/стекла. Это важно, поскольку мы хотим, чтобы свет оставался внутри полости как можно дольше».

Затем команда ученых использовала сверхбыструю спектроскопию нестационарного поглощения, чтобы измерить, как молекулы красителя накапливают энергию и как быстро заряжается все устройство. И действительно, по мере увеличения размера микрополости и количества молекул время зарядки уменьшалось, демонстрируя суперпоглощение в действии.

В конечном счете, этот прорыв может проложить путь к практичным квантовым батареям, способным быстро заряжать электромобили или системы хранения энергии, способные справляться с выбросами энергии из возобновляемых источников.

«Идея здесь — доказательство того, что в таком устройстве возможно усиленное поглощение света», — говорят исследователи. «Основная задача, однако, состоит в том, чтобы преодолеть разрыв между доказательством принципа здесь для небольшого устройства и использованием тех же идей в более крупных пригодных для использования устройствах. Следующие шаги заключаются в том, чтобы изучить, как это можно объединить с другими способами хранения и передачи энергии, чтобы создать устройство, которое может быть практически полезным».