Новини України
Підбірка новин з українських джерел
Вчені створили квантову батарею на основі світла
Дослідники вперше змогли створити повноцінну квантову батарею, яка не лише заряджається, а й здатна зберігати енергію та віддавати її у вигляді електричного струму — і все це в межах одного пристрою. Те, що донедавна існувало лише як теоретична концепція в галузі Квантова фізика, тепер отримало реальне апаратне втілення.
Як працює квантова батарея
В основі розробки — багатошарова органічна структура з крихітною «пасткою» для світла. Лазерне випромінювання потрапляє всередину спеціальної камери з дзеркальними стінками, де взаємодіє з молекулами матеріалу та перетворюється на електричний струм. Таким чином замикається повний цикл роботи батареї: від заряджання до віддачі енергії.
Ключову роль у цьому процесі відіграє явище квантова суперпозиція. На відміну від звичайних батарей, де енергія накопичується через хімічні реакції, тут квантові стани накладаються один на один, дозволяючи молекулам взаємодіяти колективно. Завдяки цьому виникає незвичний ефект: що більше таких молекул у системі, то швидше вона заряджається.
Чому більший розмір — це швидше
У класичних батареях збільшення розміру зазвичай уповільнює процес заряджання. Але у квантовій системі все працює навпаки. Молекули діють як єдине ціле, посилюючи взаємодію зі світлом. Це означає, що додавання нових елементів не створює «навантаження», а навпаки — пришвидшує процес.
Такий ефект відкриває перспективу створення джерел енергії, які зможуть дуже швидко накопичувати заряд і віддавати його потужними імпульсами.
Пастка для світла і новий тип станів
Усередині пристрою світло буквально «замикається» між тонкими відбивними шарами. Це створює особливі гібридні стани — поляритони, де світло і матерія поводяться як єдине ціле. Саме завдяки цьому енергія може передаватися всередині батареї без фізичного контакту або кабелів.
Як енергія зберігається
Швидке заряджання мало б сенс лише за умови, що енергію можна хоча б на короткий час утримати. У цьому випадку збуджені стани переходять у так званий триплетний стан — форму, яка повільніше втрачає енергію. Завдяки цьому заряд утримується на десятки наносекунд — у мільйони разів довше, ніж триває сам процес заряджання.
Звісно, цього поки недостатньо для практичного використання, але для демонстрації принципу цього більш ніж достатньо.
Перетворення енергії на струм
Щоб батарею можна було назвати батареєю, вона має віддавати енергію назовні. У цьому пристрої спеціальні шари транспортують заряд до електродів, де він перетворюється на електричний струм. Причому ефективність такого перетворення виявилася у кілька разів вищою, ніж у аналогічних систем без «світлової пастки».
Робота при кімнатній температурі
Один із найважливіших проривів — здатність працювати без екстремального охолодження. Більшість квантових технологій потребують майже абсолютного нуля, але ця батарея функціонує у звичайних лабораторних умовах. Це стало можливим завдяки сильному зв’язку між світлом і електронами, який зберігає квантові ефекти навіть у теплому середовищі.
Поки що — лише прототип
Попри гучні результати, пристрій поки що дуже далекий від комерційного використання. Його потужність вимірюється мікроватами, а час зберігання енергії — наносекундами. Це означає, що до рівня звичних літій-іонних акумуляторів ще дуже далеко.
Наступний логічний крок — масштабування технології. Вчені припускають, що майбутні квантові батареї можуть складатися з масивів таких мініатюрних елементів, які працюватимуть разом. Якщо вдасться збільшити час зберігання енергії та підвищити ефективність, це може відкрити шлях до надшвидкої зарядки електромобілів або навіть бездротової передачі енергії на відстань.
Поки що це лише перший крок, але дуже важливий. Вперше квантова батарея перестала бути теоретичною ідеєю — і стала реальною технологією, з якою можна працювати далі.
Пов'язані матеріали
Уявіть ситуацію: ви поспішаєте на важливу зустріч, вже виходите з дому — і раптом помічаєте, що смартфон повністю розряджений. Звична історія, яка зазвичай означає щонайменше пів години біля розетки. Але що, як зарядити пристрій можна було б буквально за секунди? Саме таку ідею поступово наближають до реальності так звані квантові батареї.
Над цією технологією працюють дослідники з CSIRO, які вже створили перші робочі прототипи. І хоча це звучить як наукова фантастика, принцип їхньої роботи базується на цілком реальних явищах із квантова фізика.
У квантовому світі діють незвичні правила. Частинки можуть існувати в кількох станах одночасно — це називається суперпозиція, або бути пов’язаними між собою незалежно від відстані — явище, відоме як квантова заплутаність. Саме такі ефекти дозволяють створювати не лише квантові комп’ютери, а й нові типи джерел енергії.
Ключ до роботи квантових батарей — так звані «колективні ефекти». У звичайних акумуляторах кожна частина працює окремо, і чим більша батарея, тим довше вона заряджається. У квантових усе навпаки: елементи починають «взаємодіяти» і заряджаються разом. Це призводить до парадоксального результату — чим більша батарея, тим швидше вона заряджається.
Якщо спростити: у системі з багатьох елементів час зарядки зменшується пропорційно до формули: t \propto \frac{1}{\sqrt{N}}
Тобто зі збільшенням кількості «осередків» зарядка прискорюється. Це повністю суперечить логіці традиційних акумуляторів, де великі батареї — наприклад, в електромобілях — заряджаються значно довше, ніж невеликі в смартфонах.
Перші ідеї квантових батарей з’явилися ще як теоретичні моделі, але у 2022 році вченим вдалося створити реальний прототип. Для цього вони використали так звану органічну мікропорожнину — складну багатошарову структуру, яка утримує світло і дозволяє керувати енергією на квантовому рівні. Саме в цьому експерименті вперше вдалося підтвердити: збільшення кількості елементів дійсно прискорює зарядку.
Ще один важливий крок зробили нещодавно — дослідники змогли не лише накопичувати енергію, а й перетворювати її на електричний струм. Це наближає технологію до практичного застосування.
Перша у світі повністю функціональна квантова батарея для перевірки концепції, розроблена CSIRO та її партнерами, Університетом Мельбурна та Королівським технологічним інститутом Мельбурна (RMIT)
Втім, до появи таких батарей у наших гаджетах ще далеко. Сучасні прототипи мають дуже малу ємність і здатні утримувати заряд лише частки секунди. Для смартфонів чи ноутбуків цього явно недостатньо.
Зате у квантових батарей вже є перспективна ніша — вони можуть стати ідеальним рішенням для живлення квантових комп’ютерів, де потрібна надшвидка передача енергії на дуже короткий час.
Зараз науковці працюють над тим, щоб збільшити розміри таких батарей і навчитися довше зберігати заряд. Один із можливих шляхів — створення гібридних систем, які поєднають швидкість квантових технологій із надійністю класичних акумуляторів.
І хоча поки що це лише перші кроки, історія технологій показує: навіть найсміливіші ідеї з часом стають буденністю. Колись і перший літак протримався в повітрі лише кілька секунд — але це не завадило авіації змінити світ. Квантові батареї цілком можуть пройти схожий шлях.