Un nuovo studio condotto da ricercatori dell’Università di Lanzhou e dell’Università di Hubei propone uno schema di ricarica della batteria quantistica (QB) basato su una guida d’onda metallica cava rettangolare. Questo approccio consente loro di superare la decoerenza indotta dall’ambiente e le limitazioni della distanza di ricarica. I risultati sono pubblicati in Physical Review Letters .
La domanda e l’offerta di batterie continuano a crescere con l’obiettivo di migliorare lo stoccaggio dell’energia, la longevità e le capacità di ricarica. Su questo fronte, gli scienziati stanno ora sviluppando batterie quantistiche che sfruttano i principi della meccanica quantistica per immagazzinare e fornire energia.
L'obiettivo è utilizzare i principi fondamentali della meccanica quantistica come l'entanglement e la coerenza per superare i vincoli della fisica classica, ottenendo così un potere di carica più forte, una capacità di carica più elevata e una maggiore estrazione di lavoro rispetto alle controparti classiche.
Il nuovo studio esplora il QB posizionando la batteria e il caricabatterie in una guida d’onda cava rettangolare. Questo metodo mira a mitigare gli effetti della decoerenza per ottenere prestazioni QB efficienti e durature.
Parlando della motivazione del team nell'esplorare le batterie quantistiche, l'autore principale dello studio, il Prof. Jun-Hong An dell'Università di Lanzhou, in Cina, ha detto a Phys.org:"Le sfide di decoerenza causano la perdita spontanea di energia del QB, che è chiamata invecchiamento del QB."
"L'altra sfida per le prestazioni pratiche del QB è la sua bassa efficienza di ricarica derivante dalla fragilità delle interazioni coerenti tra il QB e il suo caricatore. Volevamo superare queste sfide."
Il modello QB si basa su due sistemi a due livelli (TLS), che sono sistemi aventi due livelli energetici distinti. Questi livelli di energia sono tipicamente rappresentati come uno stato fondamentale e uno stato eccitato.
Un sistema è la batteria stessa e l'altro è il caricabatterie. I processi di ricarica e scambio di energia tra questi TLS svolgono un ruolo chiave nel funzionamento del sistema QB. I TLS vengono addebitati stabilendo un accoppiamento coerente con altri TLS o campi esterni.
Nel contesto dei QB, l’accoppiamento coerente è un’interazione sincronizzata e correlata tra questi sistemi quantistici, consentendo il trasferimento o lo scambio di energia. Queste interazioni coerenti sono fragili e introducono decoerenza in questi sistemi.
"Qualsiasi sistema quantistico non può essere assolutamente isolato dal suo ambiente esterno, il che induce inevitabilmente una decoerenza indesiderata nel sistema", ha spiegato il prof. Jun-Hong.
Questi modelli realizzano la ricarica tramite l'interazione diretta caricabatterie-QB. Tuttavia, questa relazione è influenzata dalla distanza tra i due, con conseguente diminuzione dell’efficienza di ricarica. Per superare questo problema e il problema della decoerenza, i ricercatori hanno introdotto guide d'onda cave rettangolari.
Una guida d'onda è una struttura che guida le onde, tipicamente le onde elettromagnetiche, lungo un percorso specifico. Agisce come un condotto per le onde, confinandole e indirizzandole a viaggiare in modo controllato.
"La guida d'onda metallica cava rettangolare viene utilizzata per raccogliere e guidare il campo elettromagnetico per mediare il trasferimento di energia tra il QB e il caricabatterie", ha affermato il prof. Jun-Hong.
Il trasferimento di energia stesso avviene senza contatto diretto tra i due TLS, introducendo un nuovo approccio al processo di ricarica QB.
Il modello dei ricercatori si basa sull'interazione quantizzata tra il campo elettromagnetico e la materia all'interno di una guida d'onda.
All'interno dei confini della guida d'onda, il campo elettromagnetico possiede specifiche relazioni di dispersione e strutture di bandgap, che sono parametri che influenzano la sua propagazione e le interazioni all'interno del sistema quantistico.
Inizialmente, questo campo elettromagnetico è in uno stato di vuoto, il che significa che non ci sono fotoni nei suoi modi. Nel frattempo, il QB è nel suo stato fondamentale e il caricabatterie è in uno stato eccitato.
Il caricatore subisce una transizione dallo stato eccitato allo stato fondamentale, emettendo un fotone nel campo elettromagnetico. Ciò introduce un'eccitazione nel campo elettromagnetico che porta il campo ad avere infinite modalità (o possibili configurazioni).
Il fotone viene successivamente assorbito dal QB che passa ad uno stato eccitato.
Sebbene avere infinite modalità nel campo elettromagnetico induca tipicamente decoerenza nel sistema quantistico, l’aspetto sorprendente è che i ricercatori hanno scoperto che questo campo a modalità infinite agisce come un ambiente e, contrariamente alle aspettative, facilita lo scambio coerente di energia del caricatore QB.
"Il nostro lavoro rivela un meccanismo per realizzare uno scambio energetico coerente del caricatore QB grazie al ruolo di mediazione del campo elettromagnetico a modo infinito", ha spiegato il prof. Jun-Hong.
La scoperta inaspettata che la decoerenza del sistema non porta all’invecchiamento del QB contraddice la credenza popolare. I ricercatori notano invece che lo scambio di energia è un processo di ricarica ottimale, tipicamente previsto in scenari in cui il caricabatterie e il QB interagiscono direttamente.
Inoltre, il loro schema QB ha mostrato un lungo raggio per la ricarica wireless, con la formazione di due stati legati nello spettro energetico dell'intero sistema (QB-caricatore-ambiente) che gioca un ruolo cruciale.
"Un messaggio del nostro lavoro è che le interconnessioni quantistiche favorite dalla guida d'onda ci forniscono un modo utile per superare le sfide nella realizzazione pratica della QB", ha aggiunto il prof. Jun-Hong.
Ciò migliora l'efficacia di QB e apre le porte alla possibilità di dispositivi più leggeri e sottili con maggiore facilità, che si distinguono anche per la loro durata.
Il Prof. Jun-Hong ha inoltre sottolineato che il loro dispositivo era completamente sicuro e innocuo poiché il campo elettromagnetico è sempre confinato all'interno della guida d'onda e l'accumulo di energia del QB, privo di reazioni elettrochimiche, promuove la riutilizzabilità infinita senza inquinamento ambientale.
Il prossimo passo per i ricercatori sarà ampliare il loro schema QB.
"Più specificamente, prevediamo di sviluppare un modello QB a molti corpi che funzioni come la ricarica wireless remota. Ciò potrebbe consentirci di incorporare in modo efficiente la superiorità dell'entanglement quantistico nel migliorare la potenza di carica, la capacità di carica e il lavoro estraibile di un ricarica remota e antietà QB", ha concluso il Prof. Jun-Hong.
Ulteriori informazioni: Wan-Lu Song et al, Ricarica remota e soppressione del degrado per la batteria quantistica, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.090401. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.13784
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