Interaktioner inden for kvantebatterier er nøglen til deres opladningsfordel

Nylige teoretiske undersøgelser ved Monash University bringer os et skridt tættere på realistiske kvantebatterier.

Sådan teknologi vil afhænge af energiforskellen fra forskellige kvantetilstande, snarere end på elektrokemiske ændringer, som det er tilfældet i traditionelle batterier.

Kvantebatterier tilbyder også potentiale for langt bedre termodynamisk effektivitet, og ultrahurtig opladningstid.

Studiet, som blev ledet af FLEETs Meera Sogn og Jesper Levinsen udvidede tidligere forskning i individ, isolerede kvantebatterier for at overveje en mere realistisk, mangekroppssystem med iboende interaktioner. Forskerne viste, at interagerende kvantebatterier oplades hurtigere end isolerede batterier.

Bygger bedre (kvante) batterier

Med udbredelsen af ​​mobile computere følger en tilsvarende efterspørgsel efter stadig mere effektiv, stadigt hurtigere opladning af batterier.

Kvantebatterier præsenterer en mulig fremtid, med kvanteindvikling (Einsteins berømte "uhyggelige handling på afstand"), tilbyder potentiale for ydeevne, der langt overstiger klassisk teknologi.

Nøglen til ethvert batteri er forskellen mellem dets opladede og uopladede tilstand. I elektrokemiske batterier såsom en iPhones lithium-ion-pakke, dette repræsenterer en forskel i lagret elektronisk ladning. I Snowy River driven-hydro-ordningen, det er forskellen mellem vand lagret i højere eller lavere højder. I begge tilfælde, at lagret energi er tilgængelig til at udføre arbejde.

Men klassiske batterier som disse eksempler fungerer kun med en lille brøkdel af teoretiske termodynamiske grænser.

I et kvantebatteri, en sådan forskel ville hænge på kvanteindvikling:kvantelinken mellem partikler med identiske kvantebølgeformer. Et par sammenfiltrede kvantebatterier yder meget bedre end et alene, faktisk kunne teorien ydeevnen for et stort nok antal sammenfiltrede kvantebatterier nærme sig 100 procent af den termodynamiske grænse.

Den øgede kraft af et sammenfiltrings-forstærket kvantebatteri tillader teoretisk, at kvantebatterier oplades meget hurtigere end deres klassiske modstykker.

Tidligere forskning i kvantebatterier har antaget diskrete, uafhængige kvantesystemer, der er afhængige af globale, mange-kropsinteraktioner for at opnå en kvantefordel i ladekraft.

Den nylige Monash-undersøgelse betragtede i stedet mere realistiske kvantebatterier, med iboende mange-krop-interaktioner.

Quantum spin -kæder viste sig at være en lovende platform for kvantebatterier. Spin-kæder består af en række spins arrangeret på en endimensionel linje og har fungeret som en vigtig og frugtbar model for mere komplicerede systemer siden kvantefysikkens tidlige dage.

Forskerne fandt ud af, at sådanne kvantebatterier, forbundet via spin-spin-interaktioner oplades hurtigere end deres ikke-interagerende kolleger.

Interessant nok, forskerne opdagede også, at denne opladningsfordel ikke skyldtes (kvante eller klassiske) korrelationer, som det har været tilfældet i tidligere arbejder, men snarere skyldtes middelfelteffekten af ​​interaktioner mellem spinsene.

Endvidere i Monash -undersøgelsen, batterierne blev opladet af lokale felter, i stedet for den sædvanlige kollektive opkrævning.

Værket viser også, hvordan energistrukturen i kvantebatterierne kan konstrueres til at give ultrahurtig opladning.

Dette arbejde demonstrerer sammensmeltning af realistiske kondenserede systemer med kvantetermodynamik, kulminerer i potentielt realiserbare kvantebatterier med mange krop.

Det var også første gang, at opladning af batterier blev antaget at være ved lokalt anvendte felter, i stedet for den sædvanlige kollektive opladning.

Studiet, Spin-chain model af et kvantebatteri med mange krop, blev ledet af Thao P. Le og udgivet i Fysisk gennemgang A i februar 2018.

Ikke-ligevægtsfysik og FLEET

Tvang af et kvantebatteri til et nyt, ladet tilstand repræsenterer et eksempel på ikke-ligevægtsfysik, hvor systemer tvinges ud af ligevægt til en midlertidig tilstand.

Det er en forholdsvis ny, og spændende felt, og et paradigmeskifte inden for materialeteknik.

Hos FLEET, ikke-ligevægtsmekanismer forfølges af forskere i centrets forskningstema 3, lystransformerede materialer, med det formål at opnå nulmodstandsstier for elektrisk strøm, som en del af centrets mission om at udvikle en ny generation af ultra-lav energi elektronik.

For eksempel, kort, intense lysudbrud kan bruges til midlertidigt at tvinge stof til at adoptere en ny, distinkt topologisk tilstand eller at skifte til en superfluid tilstand.

Den opnåede tvangstilstand er kun midlertidig, men forskere lærer enormt meget om den grundlæggende fysik af topologiske isolatorer og supervæsker, når de observerer materialet skifte mellem naturlige og tvungne tilstande, over en periode på flere mikrosekunder.

Meera Parish og Jesper Levinsens forskning inden for FLEET's Research tema 3 søger forståelse og kontrol af interaktioner mellem partikler i kvantemateriale, inklusive:

• Forskelle mellem systemer, der kun omfatter få partikler, og systemer omfattende mange partikler
• Effekter af at begrænse systemet til 1D eller 2-D
• Opførsel af kvasipartikler i systemet.

FLEET er et australsk forskningsråd finansieret forskningscenter, der samler over hundrede australske og internationale eksperter for at udvikle en ny generation af ultra-lav energi elektronik.

Theory of Quantum Matter -gruppen reklamerer i øjeblikket for en ph.d. position, studere fysikken i ultrakølede atomgasser.