Квантовые батареи могут совершить революцию в хранении энергии благодаря тому, что кажется парадоксом: чем больше батарея, тем быстрее она будет заряжаться. Группа ученых впервые продемонстрировала действие квантово-механического принципа «суперпоглощения», положенного в основу квантовых накопителей энергии.
Причудливый и порой непостижимый мир квантовой физики полон явлений, которые на первый взгляд кажутся невозможными. Молекулы, например, могут быть настолько переплетены, что они начинают действовать сообща, и это может привести к появлению особых квантовых эффектов. Среди них — явление «суперпоглощения», повышающее способность молекул поглощать свет.
«Суперпоглощение — это «коллективный» квантовый эффект, при котором молекулы структурно взаимодействуют (интерферируют) при переходах между своими состояниями», — объяснил Джеймс Куач, руководитель исследования. «Структурная интерференция характерна для всех видов волн (свет, звук, волны на воде) и возникает, когда разные волны накладываются и суммируются, что дает больший эффект, чем от любой волны в отдельности. Важно отметить, что это позволяет объединенным молекулам поглощать энергию более эффективно, чем если каждая молекула действовала бы отдельно».
В квантовой батарее это явление будет иметь очень очевидную пользу. Чем больше вместе молекул, сохраняющих энергию, тем эффективнее они смогут поглощать эту энергию — иными словами, чем больше будет такой квантовый аккумулятор, тем быстрее он будет заряжаться.
По крайней мере, так это должно работать в теории. Чтобы доказать это и продемонстрировать возможность создания квантовых супер-батарей сверхбольшой мощности со сверхбыстрой зарядкой, группа ученых из Университета Аделаиды, США, провели исследование, о котором было недавно опубликовано в журнале Science Advances.
Чтобы создать свое тестовое устройство, доказывающее практическое существование явления «суперпоглощения», которое можно использовать для накопления энергии, исследователи поместили активный слой светопоглощающих молекул люминесцентного красителя «Lumogen-F Orange» в микрополость между двумя зеркалами.
«Зеркала в этой микропустоте были изготовлены по стандартной технологии для изготовления высококачественных зеркал», — пояснил Куач. «Несколько чередующихся между собой слоев диэлектрических материалов — диоксида кремния и пятиоксида ниобия — было использовано для создания так называемого «распределенного рефлектора Брэгг.». Это зеркала, которые отражают гораздо больше света, чем обычное металлическое/стеклянное зеркало. Это важно, чтобы свет оставался внутри полости как можно дольше».
Затем команда использовала сверхбыструю спектроскопию переходного поглощения, чтобы измерить, как молекулы красителя сохраняют энергию и как быстро заряжается все устройство. И, ожидаемо, с увеличением размера микрополости и количества молекул время зарядки уменьшалось, демонстрируя явление «суперпоглощения».
Этот научный прорыв может открыть путь для практического создания квантовых батарей, которые могут использоваться для быстрой зарядки электромобилей или создания сетевых систем хранения энергии, которые могут справиться с быстрой компенсацией всплесков избыточной генерации энергии из возобновляемых источников или стабилизации напряжения и частоты в общей электросети.
«Идея здесь является доказательством принципа, что в таком устройстве возможно усиленное поглощение энергии, в данном случае энергии света», — добавил Куач. «Однако ключевой задачей является преодоление разрыва между подтверждением действия принципа для маленького устройства и использованием тех же идей в больших масштабах, пригодных для практического применения. Наши следующие шаги — исследовать, как это можно совместить с другими способами хранения и передачи энергии, чтобы создать практически полезные быстрые аккумулирующие устройства».
