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Recenti studi teorici presso la Monash University ci avvicinano di un passo alle batterie quantistiche realistiche.
Tale tecnologia dipenderebbe dalla differenza di energia offerta dai diversi stati quantistici, piuttosto che sui cambiamenti elettrochimici, come nel caso delle batterie tradizionali.
Le batterie quantiche offrono anche il potenziale per un'efficienza termodinamica notevolmente migliore, e tempi di ricarica ultrarapidi.
Lo studio, che è stato co-guidato da Meera Parish di FLEET e Jesper Levinsen ha ampliato le precedenti ricerche su individui, batterie quantistiche isolate per considerare un più realistico, sistema a molti corpi con interazioni intrinseche. I ricercatori hanno dimostrato che le batterie quantistiche interagenti si caricano più velocemente delle batterie isolate.
Costruire batterie (quantiche) migliori
Con la proliferazione del mobile computing arriva una corrispondente richiesta di dispositivi sempre più efficienti, batterie sempre più veloci.
Le batterie quantiche rappresentano un possibile futuro, con entanglement quantistico (la famosa "azione spettrale a distanza" di Einstein), offrendo il potenziale per prestazioni che superano di gran lunga la tecnologia classica.
La chiave di qualsiasi batteria è la differenza tra il suo stato di carica e quello di non carica. Nelle batterie elettrochimiche come le batterie agli ioni di litio di un iPhone, questo rappresenta una differenza nella carica elettronica immagazzinata. Nello schema idroelettrico di Snowy River, è la differenza tra l'acqua immagazzinata ad altitudini maggiori o minori. In ogni caso, che l'energia immagazzinata è disponibile per essere utilizzata per svolgere il lavoro.
Tuttavia, le batterie classiche come questi esempi funzionano solo a una piccola frazione dei limiti termodinamici teorici.
In una batteria quantistica, una tale differenza dipenderebbe dall'entanglement quantistico:il collegamento quantistico tra particelle con forme d'onda quantistiche identiche. Una coppia di batterie quantistiche entangled funziona molto meglio di una sola, infatti, in teoria, le prestazioni di un numero sufficiente di batterie quantistiche entangled potrebbero avvicinarsi al 100% del limite termodinamico.
Tre diversi paradigmi di ricarica. Credito:FLEET
La maggiore potenza di una batteria quantistica potenziata dall'entanglement consente teoricamente alle batterie quantistiche di essere caricate molto più velocemente rispetto alle loro controparti classiche.
La ricerca precedente sulle batterie quantistiche ha assunto discreti, sistemi quantistici indipendenti che si basano su sistemi globali, interazioni a molti corpi per ottenere un vantaggio quantico nella potenza di carica.
Il recente studio di Monash ha invece considerato batterie quantistiche più realistiche, con interazioni intrinseche a molti corpi.
Le catene di spin quantistiche si sono rivelate una piattaforma promettente per le batterie quantistiche. Le catene di spin sono costituite da un numero di spin disposti su una linea unidimensionale e sono servite come modello importante e fruttuoso per sistemi più complicati sin dai primi giorni della fisica quantistica.
I ricercatori hanno scoperto che tali batterie quantistiche, collegati tramite interazioni spin-spin si caricano più velocemente delle loro controparti non interagenti.
interessante, i ricercatori hanno anche scoperto che questo vantaggio di ricarica non era dovuto a correlazioni (quantiche né classiche), come è avvenuto in lavori precedenti, ma piuttosto era dovuto all'effetto di campo medio delle interazioni tra gli spin.
Inoltre, nello studio di Monash, le batterie sono state caricate dai campi locali, invece della consueta addebito collettivo.
Il lavoro mostra anche come la struttura energetica delle batterie quantistiche può essere costruita per fornire una ricarica ultraveloce.
Questo lavoro dimostra la fusione di sistemi di materia condensata realistici con la termodinamica quantistica, culminando in batterie quantistiche a molti corpi potenzialmente realizzabili.
È stata anche la prima volta che si è ipotizzato che la ricarica delle batterie fosse effettuata da campi applicati localmente, invece della consueta addebito collettivo.
Spin catene nel gas atomico ultrafreddo. Credito:FLEET
Lo studio, Modello a catena di spin di una batteria quantistica a molti corpi, è stato co-diretto da Thao P. Le e pubblicato in Revisione fisica A nel febbraio 2018.
Fisica del non equilibrio e FLOTTA
La forzatura di una batteria quantistica in una nuova, lo stato carico rappresenta un esempio di fisica del non equilibrio, in cui i sistemi sono forzati fuori equilibrio in uno stato temporaneo.
È relativamente nuovo, ed emozionante campo, e un cambio di paradigma nell'ingegneria dei materiali.
A FLOTTA, i meccanismi di non equilibrio sono perseguiti dai ricercatori nel tema di ricerca 3 del Centro, materiali trasformati dalla luce, con l'obiettivo di realizzare percorsi a resistenza zero per la corrente elettrica, nell'ambito della missione del Centro di sviluppare una nuova generazione di elettronica a bassissima energia.
Per esempio, breve, intensi lampi di luce possono essere usati per forzare temporaneamente la materia ad adottare un nuovo, stato topologico distinto o per passare a uno stato superfluido.
Lo stato forzato raggiunto è solo temporaneo, ma i ricercatori imparano un'enorme quantità sulla fisica fondamentale degli isolanti topologici e dei superfluidi mentre osservano lo spostamento del materiale tra gli stati naturali e forzati, per un periodo di diversi microsecondi.
La ricerca di Meera Parish e Jesper Levinsen all'interno del tema di ricerca 3 di FLEET cerca la comprensione e il controllo delle interazioni tra le particelle nella materia quantistica, Compreso:
FLEET è un centro di ricerca finanziato dall'Australian Research Council che riunisce oltre un centinaio di esperti australiani e internazionali per sviluppare una nuova generazione di elettronica a bassissima energia.
Il gruppo Theory of Quantum Matter sta attualmente pubblicizzando un dottorato di ricerca. posizione, studiare la fisica dei gas atomici ultrafreddi.
