Australijscy naukowcy opracowali innowacyjny demonstrator, który pochłania światło, magazynuje energię oraz oddaje ją w formie prądu, wykorzystując kolektywne zjawiska kwantowe. Jest to imponujące osiągnięcie w dziedzinie fizyki eksperymentalnej. Ale jak można wykorzystać taką baterię, którą można naładować w kwadrylionową część sekundy? To już jest wyzwanie.
Niektórzy nazywają to „baterią kwantową”, niemniej jednak warto być ostrożnym w tej kwestii, ponieważ nie jest ona (jeszcze) substytutem naszych litowych akumulatorów w smartfonach i laptopach, ani w samochodach elektrycznych. Warto podkreślić, że zespół z CSIRO, we współpracy z naukowcami z RMIT University oraz University of Melbourne, umieścił cząsteczki organiczne w nanoskali optycznej. Światło uwięzione między srebrnymi zwierciadłami intensywnie sprzęga się z materią, tworząc hybrydowe polarytony. Wspólna reakcja wielu absorberów jest kluczowym czynnikiem, który sprawia, że takie urządzenie działa w sposób, w jaki działa.
Jak zamienić światło w energię?
Prototyp tego urządzenia składa się z warstw organicznych półprzewodników, zamkniętych pomiędzy dwoma srebrnymi zwierciadłami, tworzącymi wnękę na poziomie nanometrów. Rola absorbera przypada ftalocyjaninie miedzi (CuPc), a fuleren C60 uczestniczy w rozdzielaniu ładunków. Impuls lasera wzbudza cząsteczki, a zmiany w ich stanie analizowano za pomocą spektroskopii o wysokiej rozdzielczości femtosekundowej. Całe urządzenie działa w warunkach atmosferycznych i w temperaturze pokojowej, bez konieczności stosowania kriogenicznego chłodzenia, które jest wymagane w wielu innych eksperymentalnych konstrukcjach kwantowych, jak np. komputery kwantowe.
Warto także zwrócić uwagę na fenomen superabsorpcji, czyli kolektywne pochłanianie energii przez układ silnie sprzężony ze światłem. W badanych urządzeniach liczba cząsteczek CuPc, znajdujących się w obszarze oświetlanym laserem, wahała się od około 2,8 × 1014 do 7,9 x 1014. W miarę zwiększania liczby cząsteczek, czas ładowania ulegał skróceniu, a maksymalna gęstość magazynowanej energii oraz moc ładowania rosły szybciej niż wynikałoby to z prostego dodawania kolejnych absorberów. W efekcie: im więcej energii zgromadzonej w akumulatorze, tym szybciej się ładował. Demonstrator naładowano w kwadrylionową część sekundy, jednak należy pamiętać, że był to jedynie ograniczony, mały prototyp. Nie wiadomo, jak taki sprzęt sprawdzi się w większej skali, ale oczekiwania są ogromne.
Pełny cykl z mierzalnym prądem
Choć demonstratorów z tej branży było już kilka, teraz po raz pierwszy połączono większość ich elementów w jednym systemie. Po wzbudzeniu, energia przechodzi w metastabilny stan trypletowy i pozostaje tam przez okres od 10 do 50 nanosekund. To około sześciu rzędów wielkości dłużej niż czas ładowania, jednak dla nas wciąż oznacza to dosłownie mgnienie oka i… energii szybko ubywa. Udało się jednak udowodnić, że taki sprzęt rzeczywiście potrafi generować prąd elektryczny. Po raz pierwszy w historii eksperymentalnie zrealizowano pełną sekwencję ładowania, stabilizacji energii i jej ekstrakcji.
Mikrownica znacząco poprawiła zewnętrzną wydajność konwersji fotonów na ładunek, osiągając około trzykrotnie lepsze wyniki w porównaniu z urządzeniami kontrolnymi bez wnęki. Zmierzona maksymalna gęstość mocy rozładowania wynosiła od 10 do 40 mikroW/cm2, a jej efektywność w porównaniu do układu kontrolnego zwiększała się w miarę wzrostu liczby absorberów. Efekt ten jest wynikiem silnego sprzężenia światła i materii, które zmienia dostępne stany energetyczne oraz napięcie w obwodzie otwartym. Warto jednak zauważyć, że część pomiarów rozładowania prowadzono przy stałym oświetleniu, więc to nadal nie jest akumulator, który mógłby oddać zgromadzoną energię na żądanie. Jeszcze: kładę nacisk na ten termin.
Telefon spokojnie poczeka. Ale są lepsze zastosowania
Energia w takiej „baterii” utrzymuje się jedynie przez dziesiątki nanosekund, a pojemność demonstratora jest mikroskopijna w odniesieniu do naszych potrzeb. Delikatne stany kwantowe szybko tracą swoje właściwości w wyniku interakcji z otoczeniem, a kontrolowane kierowanie energii do odbiornika nadal stwarza wiele wyzwań. Nie ma również pewności, czy korzystne skalowanie przetrwa po połączeniu wielu komórek w większą konstrukcję. Zespół planuje wydłużenie czasu magazynowania jako kolejny etap prac i poszukuje partnerów do dalszego rozwoju. Obecnie rozważana jest architektura hybrydowa, która miałaby łączyć ultraszybką warstwę kwantową z tradycyjnym magazynem, zdolnym do dłuższego przechowywania energii.
Czytaj również: Ta bateria zrewolucjonizuje rynek? Ładuje się w 3 minuty
Pomimo że bylibyśmy zadowoleni, gdyby ta technologia znalazła zastosowanie w smartfonach i komputerach już teraz, największe korzyści mogą odnieść specjalistyczne urządzenia elektroniki kwantowej, gdzie kluczowe są małe porcje energii dostarczane w precyzyjnie określonym momencie. Osobne badania teoretyczne CSIRO przewidują wykorzystanie baterii kwantowych w komputerach kwantowych w celu ograniczenia liczby przewodów oraz dopływu ciepła do kriostatu.
Nie mamy jednak dowodów na to, że taki sprzęt można już zintegrować z tego typu procesorem. Wiemy jednak, że urządzenie nie tylko pochłonęło i zmagazynowało energię, ale także oddało ją w postaci mierzalnej elektryczności. Brzmi to obiecująco, jednak znów… na wyniki prac naukowców będziemy musieli poczekać jeszcze kilka lat.