Le batterie che sfruttano i fenomeni quantistici per acquisire, distribuire e immagazzinare energia promettono di superare le capacità e l’utilità delle batterie chimiche convenzionali in alcune applicazioni a basso consumo. Per la prima volta, alcuni ricercatori, compresi quelli dell’Università di Tokyo, sfruttano un processo quantistico non intuitivo che ignora la nozione convenzionale di causalità per migliorare le prestazioni delle cosiddette batterie quantistiche, avvicinando questa futura tecnologia un po’ più alla realtà.
Quando senti la parola "quantistico", la fisica che governa il mondo subatomico, gli sviluppi nei computer quantistici tendono a rubare i titoli dei giornali, ma ci sono altre tecnologie quantistiche imminenti a cui vale la pena prestare attenzione. Uno di questi è la batteria quantistica che, sebbene inizialmente sconcertante nel nome, racchiude un potenziale inesplorato per soluzioni energetiche sostenibili e una possibile integrazione nei futuri veicoli elettrici. Tuttavia, questi nuovi dispositivi sono pronti a trovare impiego in varie applicazioni portatili e a basso consumo, soprattutto quando le opportunità di ricarica sono scarse.
Al momento, le batterie quantistiche esistono solo come esperimenti di laboratorio e i ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando sui diversi aspetti che si spera possano un giorno combinarsi in un’applicazione pratica e pienamente funzionante. Lo studente laureato Yuanbo Chen e il professore associato Yoshihiko Hasegawa del Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione e della Comunicazione dell'Università di Tokyo stanno studiando il modo migliore per caricare una batteria quantistica, ed è qui che entra in gioco il tempo. Uno dei vantaggi delle batterie quantistiche è che dovrebbero essere incredibilmente efficienti, ma ciò dipende dal modo in cui vengono caricate.
"Le attuali batterie per dispositivi a basso consumo, come smartphone o sensori, utilizzano tipicamente sostanze chimiche come il litio per immagazzinare la carica, mentre una batteria quantistica utilizza particelle microscopiche come schiere di atomi", ha affermato Chen. "Mentre le batterie chimiche sono governate dalle leggi classiche della fisica, le particelle microscopiche sono di natura quantistica, quindi abbiamo la possibilità di esplorare modi di usarle che piegano o addirittura infrangono le nostre nozioni intuitive di ciò che accade su piccola scala. Sono particolarmente interessato interessato al modo in cui le particelle quantistiche possono funzionare per violare una delle nostre esperienze fondamentali, quella del tempo."
In collaborazione con il ricercatore Gaoyan Zhu e il professor Peng Xue del Centro di ricerca scientifica computazionale di Pechino, il team ha sperimentato modi per caricare una batteria quantistica utilizzando apparecchi ottici come laser, lenti e specchi, ma il modo in cui lo hanno ottenuto richiedeva un effetto quantistico in cui gli eventi non sono causalmente collegati come lo sono le cose di tutti i giorni.
I metodi precedenti per caricare una batteria quantistica prevedevano una serie di fasi di ricarica una dopo l’altra. Tuttavia, in questo caso, il team ha invece utilizzato un nuovo effetto quantistico che chiamano ordine causale indefinito, o ICO. Nel regno classico, la causalità segue un percorso chiaro, nel senso che se l'evento A porta all'evento B, allora è esclusa la possibilità che B causi A. Tuttavia, su scala quantistica, l'ICO consente l'esistenza di entrambe le direzioni di causalità in quella che è nota come sovrapposizione quantistica, dove entrambe possono essere contemporaneamente vere.
"Con ICO, abbiamo dimostrato che il modo in cui si carica una batteria composta da particelle quantistiche potrebbe avere un impatto drastico sulle sue prestazioni", ha affermato Chen. "Abbiamo riscontrato enormi miglioramenti sia nell'energia immagazzinata nel sistema che nell'efficienza termica. E, un po' controintuitivamente, abbiamo scoperto l'effetto sorprendente di un'interazione che è l'inverso di quello che ci si potrebbe aspettare:un caricabatterie a potenza inferiore potrebbe fornire energie più elevate con maggiore efficienza rispetto a un caricabatterie di potenza comparabilmente superiore che utilizza lo stesso apparecchio."
Il fenomeno dell’ICO esplorato dal team potrebbe trovare usi oltre alla ricarica di una nuova generazione di dispositivi a basso consumo. I principi sottostanti, incluso l’effetto di interazione inversa scoperto qui, potrebbero migliorare le prestazioni di altri compiti che coinvolgono la termodinamica o processi che implicano il trasferimento di calore. Un esempio promettente sono i pannelli solari, dove gli effetti del calore possono ridurne l'efficienza, ma l'ICO potrebbe essere utilizzata per mitigarli e portare invece a miglioramenti in termini di efficienza.
Ulteriori informazioni: Ricarica delle batterie quantistiche tramite ordine causale indefinito:teoria ed esperimento, lettere di revisione fisica (2023). journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.131.240401
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dall'Università di Tokyo
