Forskere foreslår en ny ordning for kvantebatteriet ved hjælp af bølgeledere

En ny undersøgelse foretaget af forskere ved Lanzhou University og Hubei University foreslår et kvantebatteri (QB) opladningsskema baseret på en rektangulær hul metalbølgeleder. Denne tilgang giver dem mulighed for at overvinde miljø-induceret dekohærens og opladningsafstandsbegrænsninger. Resultaterne er offentliggjort i Physical Review Letters .

Efterspørgslen og udbuddet af batterier fortsætter med at vokse med fokus på at forbedre energilagring, levetid og opladningskapacitet. På denne front udvikler forskere nu kvantebatterier, der udnytter kvantemekanikkens principper til at lagre og levere energi.

Målet er at bruge grundlæggende principper for kvantemekanik såsom sammenfiltring og sammenhæng til at overvinde begrænsningerne i klassisk fysik og derved opnå stærkere ladekraft, højere ladekapacitet og større arbejdsudvinding sammenlignet med klassiske modparter.

Den nye undersøgelse udforsker QB ved at placere batteriet og opladeren i en rektangulær hul bølgeleder. Denne metode har til formål at afbøde virkningerne af dekohærens for at opnå langvarig og effektiv QB-ydelse.

Når vi taler om holdets motivation til at udforske kvantebatterier, fortalte hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, prof. Jun-Hong An fra Lanzhou University, Kina, til Phys.org:"Dekohærens udfordringer forårsager det spontane energitab af QB, som kaldes aldring. af QB."

"Den anden udfordring for den praktiske ydeevne af QB er dens lave opladningseffektivitet som følge af skrøbeligheden af ​​sammenhængende interaktioner mellem QB'en og dens oplader. Vi ønskede at overvinde disse udfordringer."

Kvantebatteri og bølgeledere

QB-modellen er baseret på to to-niveau systemer (TLS), som er systemer med to forskellige energiniveauer. Disse energiniveauer er typisk repræsenteret som en grundtilstand og en exciteret tilstand.

Det ene system er selve batteriet og det andet er opladeren. Opladnings- og energiudvekslingsprocesserne mellem disse TLS'er spiller en nøglerolle i QB-systemets funktion. TLS'er oplades ved at etablere en sammenhængende kobling med andre TLS'er eller eksterne felter.

I forbindelse med QB'er er kohærent kobling en synkroniseret og korreleret interaktion mellem disse kvantesystemer, hvilket muliggør overførsel eller udveksling af energi. Disse sammenhængende interaktioner er skrøbelige og indfører dekohærens i disse systemer.

"Ethvert kvantesystem kan ikke isoleres fuldstændigt fra dets ydre miljø, hvilket uundgåeligt inducerer uønsket dekohærens til systemet," forklarede prof. Jun-Hong.

Disse modeller realiserer opladning via direkte oplader-QB-interaktion. Dette forhold er dog påvirket af afstanden mellem de to, hvilket resulterer i et fald i opladningseffektiviteten. For at overvinde dette og dekohærensproblemet introducerede forskerne rektangulære hule bølgeledere.

En bølgeleder er en struktur, der leder bølger, typisk elektromagnetiske bølger, langs en bestemt vej. Den fungerer som en kanal for bølgerne, begrænser og leder dem til at rejse på en kontrolleret måde.

"Den rektangulære hule metalbølgeleder bruges til at opsamle og lede det elektromagnetiske felt for at mediere energioverførslen mellem QB'en og opladeren," sagde prof Jun-Hong.

Selve energioverførslen sker uden direkte kontakt mellem de to TLS'er, hvilket introducerer en ny tilgang til QB-opladningsprocessen.

Kvantiserede interaktioner

Forskernes model afhænger af den kvantiserede interaktion mellem det elektromagnetiske felt og stof i en bølgeleder.

Inden for bølgelederens rammer har det elektromagnetiske felt specifikke spredningsrelationer og båndgab-strukturer, som er parametre, der påvirker dets udbredelse og interaktioner inden for kvantesystemet.

Til at begynde med er dette elektromagnetiske felt i en vakuumtilstand, hvilket betyder, at der ikke er nogen fotoner i dets tilstande. I mellemtiden er QB'en i sin jordtilstand, og opladeren er i en exciteret tilstand.

Opladeren gennemgår en overgang fra en exciteret tilstand til grundtilstanden, idet den udsender en foton i det elektromagnetiske felt. Dette introducerer en excitation i det elektromagnetiske felt, der fører til, at feltet har uendelige tilstande (eller mulige konfigurationer).

Fotonen bliver efterfølgende absorberet af QB, som går over til en exciteret tilstand.

Selvom det at have uendelige tilstande i det elektromagnetiske felt typisk ville inducere dekohærens i kvantesystemet, er det overraskende aspekt, at forskerne fandt ud af, at dette uendelige tilstandsfelt fungerer som et miljø og, i modsætning til forventningerne, letter en sammenhængende QB-oplader energiudveksling.

"Vores arbejde afslører en mekanisme til at få en sammenhængende QB-oplader energiudveksling til at ske ved formidlingsrollen af ​​det elektromagnetiske felt i uendelig tilstand," forklarede prof. Jun-Hong.

Opladningsdynamik og fremtidigt arbejde

Den uventede opdagelse af, at dekohærens i systemet ikke fører til aldring af QB, modsiger populær tro. I stedet bemærker forskerne, at energiudvekslingen er en optimal opladningsproces - typisk forventet i scenarier, hvor opladeren og QB interagerer direkte.

Ydermere viste deres QB-skema en lang rækkevidde for trådløs opladning, hvor dannelsen af ​​to bundne tilstande i energispektret af de samlede systemer (QB-charger-environment) spillede en afgørende rolle.

"Et budskab fra vores arbejde er, at de kvanteforbindelser, som bølgelederen favoriserer, giver os en nyttig måde at overvinde udfordringerne i den praktiske realisering af QB," tilføjede prof. Jun-Hong.

Dette forbedrer effektiviteten af ​​QB og åbner døren for muligheden for lettere og tyndere enheder med større facilitering, som også skiller sig ud ved sin holdbarhed.

Prof. Jun-Hong fremhævede også, at deres enhed var fuldstændig sikker og harmløs, da det elektromagnetiske felt altid er begrænset i bølgelederen, og QB's energilagring, fri for elektrokemiske reaktioner, fremmer uendelig genanvendelighed uden miljøforurening.

Det næste skridt for forskerne er at skalere deres QB-skema.

"Mere specifikt planlægger vi at udvikle en QB-model med mange kroppe, der fungerer i form af trådløs fjernopladning. Dette kunne give os mulighed for effektivt at inkorporere overlegenheden af ​​kvantesammenfiltring i at forbedre opladningskraften, opladningskapaciteten og det ekstraherbare arbejde af en fjernopladning og anti-aldring QB," konkluderede prof. Jun-Hong.

Flere oplysninger: Wan-Lu Song et al., Fjernopladning og nedbrydningsundertrykkelse for kvantebatteriet, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.090401. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.13784

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network