Kvanteffekter fører til mere kraftfuld batteriopladning

(Phys.org) - Fysikere har teoretisk vist, at, når flere batterier i nanoskala er koblet sammen, de kan oplades hurtigere, end hvis hvert batteri blev opladet individuelt. Forbedringen stammer fra kollektive kvantefænomener og er forankret i det nye felt inden for kvantetermodynamik - studiet af, hvordan kvanteeffekter påvirker de traditionelle love for energi og arbejde.

Forskerne, Francesco Campaioli et al., har udgivet et papir om hurtig opladning af batterier i nanoskala i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

Selvom meget forskning har vist, at kvantefænomener giver fordele i informationsbehandlingsapplikationer, såsom computing og sikker kommunikation, der har været meget få demonstrationer af kvantefordele inden for termodynamik. I en nylig undersøgelse på dette område, forskere viste, at kvanteindvikling kan tillade, at der udvindes mere arbejde fra en nanoskala energilagringsenhed, eller "kvantebatteri, "end det ville være muligt uden sammenfiltring.

I den nye undersøgelse, forskerne bygger videre på dette resultat for at vise, at kvantefænomener også kan øge kvantebatteriers ladeeffekt. De fandt også ud af, at processen ikke nødvendigvis kræver sammenfiltring, selvom det kræver operationer, der har potentiale til at generere sammenfiltrede stater.

"Vores arbejde viser, hvor indviklede operationer - det vil sige interaktioner mellem to eller flere kroppe - er nødvendige for at opnå en kvantefordel for opladningseffekten af ​​mange-krops batterier, der henviser til, at sammenfiltring i sig selv ikke udgør en ressource, "Campaioli, på Monash University i Australien, fortalt Phys.org . "Desuden vi viser, at for lokalt koblede batterier kvantefordelen skaleres med antallet af interagerende batterier. "

Kvantefordelen er ikke uden grænser, imidlertid, og fysikerne udleder den øvre grænse for, hvor meget hurtigere en samling batterier kan oplades ved hjælp af kvantefænomener. De viser, at for lokalt koblede batterier vokser kvantefordelen med antallet af interagerende batterier. Disse grænser for kvantefordelen er baseret på kvantehastighedsgrænser, som bruges, for eksempel, at estimere den maksimale hastighed af kvanteprocesser, såsom beregninger på en kvantecomputer. Her, grænsen er for termodynamiske processer.

Samlet set, resultaterne kan føre til metoder til forbedring af fremtidige energiopladningsprocesser i nanoskala, samt til en bedre forståelse af, hvordan kvanteteori og termodynamik hænger sammen.

"Vores resultat kunne bruges til at levere optimal opladning af nanodele, der er afhængige af batterier, der består af få kvantesystemer, såsom opladningsqubits, ioner eller atomer, " sagde Campaioli. "Vores plan for fremtidig forskning på dette område er at give en stram øvre grænse til den fordel, der kan opnås ved hjælp af interaktioner mellem et begrænset antal kroppe. Desuden, vi vil gerne opnå en eksperimentel erkendelse af den ovennævnte kvantefordel. "

© 2017 Phys.org