Ny måde at oplade batterier på udnytter kraften i ubestemt kausal rækkefølge

Batterier, der udnytter kvantefænomener til at opnå, distribuere og lagre strøm, lover at overgå evnerne og anvendeligheden af ​​konventionelle kemiske batterier i visse lav-effekt applikationer. For første gang drager forskere, inklusive dem fra University of Tokyo, fordel af en uintuitiv kvanteproces, der ser bort fra den konventionelle forestilling om kausalitet for at forbedre ydeevnen af ​​såkaldte kvantebatterier, hvilket bringer denne fremtidige teknologi lidt tættere på virkeligheden.

Når du hører ordet "kvante", den fysik, der styrer den subatomære verden, har udviklingen inden for kvantecomputere tendens til at stjæle overskrifterne, men der er andre kommende kvanteteknologier, der er værd at være opmærksomme på. En sådan genstand er kvantebatteriet, som, selvom det oprindeligt er gådefuldt i navn, rummer et uudforsket potentiale for bæredygtige energiløsninger og mulig integration i fremtidens elektriske køretøjer. Ikke desto mindre er disse nye enheder klar til at finde anvendelse i forskellige bærbare og lavenergiapplikationer, især når mulighederne for at genoplade er knappe.

På nuværende tidspunkt eksisterer kvantebatterier kun som laboratorieeksperimenter, og forskere verden over arbejder på de forskellige aspekter, som man håber på en dag at kombinere til en fuldt fungerende og praktisk anvendelse. Kandidatstuderende Yuanbo Chen og lektor Yoshihiko Hasegawa fra Institut for Informations- og Kommunikationsteknik ved University of Tokyo undersøger den bedste måde at oplade et kvantebatteri på, og det er her, tiden spiller ind. En af fordelene ved kvantebatterier er, at de skal være utroligt effektive, men det afhænger af den måde, de oplades på.

"Nuværende batterier til enheder med lavt strømforbrug, såsom smartphones eller sensorer, bruger typisk kemikalier såsom lithium til at opbevare ladning, hvorimod et kvantebatteri bruger mikroskopiske partikler som arrays af atomer," sagde Chen. "Mens kemiske batterier er styret af klassiske fysiklove, er mikroskopiske partikler kvante i naturen, så vi har en chance for at udforske måder at bruge dem på, der bøjer eller endda bryder vores intuitive forestillinger om, hvad der foregår i små skalaer. Jeg er især interesseret i den måde, kvantepartikler kan arbejde for at krænke en af ​​vores mest fundamentale oplevelser, tidens."

I samarbejde med forskeren Gaoyan Zhu og professor Peng Xue fra Beijing Computational Science Research Center eksperimenterede holdet med måder at oplade et kvantebatteri ved hjælp af optiske apparater såsom lasere, linser og spejle, men måden de opnåede det på krævede en kvanteeffekt, hvor begivenheder hænger ikke kausalt sammen på den måde, dagligdags ting er.

Tidligere metoder til at oplade et kvantebatteri involverede en række opladningstrin efter hinanden. Men her brugte holdet i stedet en ny kvanteeffekt, de kalder ubestemt kausal orden eller ICO. I det klassiske område følger kausalitet en klar vej, hvilket betyder, at hvis begivenhed A fører til begivenhed B, så er muligheden for, at B forårsager A, udelukket. På kvanteskalaen tillader ICO imidlertid begge retninger af kausalitet at eksistere i det, der er kendt som en kvantesuperposition, hvor begge kan være sande samtidigt.

"Med ICO demonstrerede vi, at den måde, du oplader et batteri, der består af kvantepartikler, kan påvirke dets ydeevne drastisk," sagde Chen. "Vi så store gevinster i både den energi, der er lagret i systemet og den termiske effektivitet. Og lidt kontraintuitivt opdagede vi den overraskende effekt af en interaktion, der er det omvendte af, hvad du kunne forvente:En oplader med lavere effekt kunne give højere energier med større effektivitet end en oplader med forholdsvis højere effekt, der bruger det samme apparat."

Fænomenet ICO, som holdet undersøgte, kunne finde anvendelser ud over at oplade en ny generation af enheder med lavt strømforbrug. De underliggende principper, herunder den omvendte interaktionseffekt afdækket her, kunne forbedre udførelsen af ​​andre opgaver, der involverer termodynamik eller processer, der involverer overførsel af varme. Et lovende eksempel er solpaneler, hvor varmeeffekter kan reducere deres effektivitet, men ICO kunne bruges til at afbøde dem og i stedet føre til effektivitetsgevinster.

Flere oplysninger: Opladning af kvantebatterier via ubestemt kausal rækkefølge:teori og eksperiment, Physical Review Letters (2023). journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.131.240401

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af University of Tokyo