PhysRevLett: Найден способ улучшить аккумуляторы с помощью квантовой механики

В последние годы ученые работают над новыми системами хранения энергии, которые используют принципы квантовой механики. Эти системы называются квантовыми батареями. Они могут быть более эффективными и компактными, чем обычные аккумуляторы, а также заряжаться быстрее.

В журнале Physical Review Letters вышла статья об исследовании ученых из Университета Генуи. Они создали новый тип квантового аккумулятора, который использует частицы со спинами для хранения и высвобождения энергии. Этот аккумулятор заряжается уникальным способом, без необходимости внешнего поля.

Квантовая теория многих тел и неравновесная физика — традиционные темы в группе квантовой теории конденсированного состояния вещества под руководством Мауры Сассетти в Университете Генуи, — рассказал Дарио Ферраро, старший автор статьи.

Один из моих коллег, Никколо Траверсо Зиани, изучает квантовые спиновые цепочки — определенные структуры в квантовой механике, которые можно просчитать с помощью формул. А я исследую квантовые батареи — это небольшие устройства, способные накапливать энергию с использованием принципов квантовой механики.

Мы подумали, что магистерская диссертация Риккардо Граци может объединить наши исследования.

Ферраро и его коллеги из Университета Генуи смогли провести исследование спиновых квантовых аккумуляторов с очень большим числом элементов. Раньше достичь этого было невозможно, используя обычные методы проектирования таких аккумуляторов.

Нашу квантовую батарею можно рассматривать как интеркаляцию двух коллекций ½-спинов, простейших возможных квантовых систем, — объясняет Ферраро.

Правильно изменив взаимодействие между элементами двух цепочек, например, сдвинув одну относительно другой, можно стабильно удерживать энергию в квантовой батарее.

У разработанного Ферраро и его коллегами протокола есть несколько плюсов по сравнению с уже существующими моделями спиновых квантовых аккумуляторов. Например, он дает возможность заряжать батарею новым способом, без использования внешнего поля.

Мы разработали новый способ зарядки спиновых квантовых аккумуляторов. Он основан на изменении одного из параметров системы со временем. И мы смогли применить этот метод для очень большого количества элементов устройства, — говорит Ферраро.

Мы думаем, что это откроет новые и интересные направления в изучении квантовых аккумуляторов. Их можно будет создать на основе таких систем, как нейтральные атомы. Атомы — одна из главных платформ в создании больших квантовых компьютеров.

Ферраро вместе с коллегами проверил новую конструкцию спинового квантового аккумулятора и метод зарядки в первых тестах. Результаты получились обнадеживающими: они показали, что предложенный метод надежен, не требует высокой точности и позволяет управлять аккумулятором в реальном времени.

Это исследование может помочь создать новые эффективные и стабильные твердотельные квантовые аккумуляторы. А пока Ферраро с коллегами планируют работать над методом зарядки таких аккумуляторов и изучать их чувствительность к другим факторам окружающей среды.

В настоящее время мы изучаем, как такие факторы, как температура и дальнодействующие взаимодействия, влияют на процесс зарядки большого класса квантовых батарей, в который входит модель Изинга, уже кратко рассмотренная в конце нашей статьи, — добавил Ферраро.

Наша главная цель — определить общие рамки, применимые к широкому кругу систем, чтобы определить, являются ли они подходящими кандидатами для реализации в качестве квантовых батарей.

Ранее ученые открыли ключевой компонент разрекламированных натрий-кислородных батарей.

01.12.2024