Прощай, литий: ученые разработали квантовую батарею, которая заряжается за фемтосекунды

Специалисты австралийского государственного научного агентства CSIRO создали экспериментальный образец квантового аккумулятора с парадоксальной особенностью: темпы его зарядки возрастают по мере масштабирования системы. Кроме того, авторам проекта удалось трансформировать запасённую квантовую энергию в электрический ток, что существенно приближает разработку к практическому применению.

Исследования проводятся под руководством квантового физика Джеймса Куача. В отличие от традиционных литий-ионных ячеек, в этой системе отсутствуют химические реакции: её функционирование целиком опирается на эффекты коллективного квантового взаимодействия света с веществом.

Конструкция базируется на оптическом микрорезонаторе из двух миниатюрных зеркал, дистанция между которыми составляет порядка 100 нанометров — это приблизительно в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Зазор между отражающими поверхностями заполнен молекулами органического красителя и облучается лазером.

Связывание фотонов с молекулами красителя порождает квазичастицы — поляритоны, представляющие собой гибридные состояния материи и света. Это провоцирует эффект сверхпоглощения: частицы аккумулируют входящую энергию синхронно, действуя как единый слаженный ансамбль.

В этом и заключается ключевое преимущество концепции: чем выше концентрация задействованных молекул, тем быстрее происходит поглощение фотонов. Соответственно, увеличение физических масштабов квантовой батареи не затягивает время зарядки, как это происходит с привычными аккумуляторами, а наоборот, сокращает его.

Продемонстрированный прототип заряжается за считанные фемтосекунды (квадриллионные доли секунды), удерживая полученный заряд на протяжении наносекунд — то есть в миллион раз дольше, чем длится сам процесс накачки.

Несмотря на успех, до создания батарей для смартфонов или электромобилей ещё далеко. Ёмкость текущей конфигурации ничтожна и исчисляется несколькими миллиардами электронвольт. Главный вызов для учёных состоит не только в многократном увеличении ёмкости, но и в обеспечении стабильного съёма энергии.

Недавний эксперимент стал ключевым прорывом в данном направлении: благодаря интеграции дополнительного слоя исследователи смогли снять с квантового устройства электрический ток. Полный массив экспериментальных данных в настоящее время готовится к публикации в профильном научном издании.

Не менее важным достоинством технологии CSIRO выступает её работоспособность при комнатной температуре. Большинство конкурирующих квантовых архитектур используют сверхпроводники и требуют глубокой заморозки (ниже -150 °C), что существенно усложняет их потенциальное внедрение в повседневную технику.

Источник: iXBT