Квантовые батареи могут произвести революцию в хранении энергии благодаря парадоксальному свойству: чем больше батарея, тем быстрее она заряжается (в теории). Группа австралийских ученых впервые продемонстрировала квантово-механический принцип сверхпоглощения на тестовом образце. Подробности описаны в журнале Science Advances.
«Сверхпоглощение — это квантовый коллективный эффект, при котором переходы между состояниями молекул конструктивно интерферируют. Конструктивная интерференция бывает во всех видах волн (свет, звук, волны на воде) и возникает, когда разные волны вместе дают больший эффект, чем любая из них по отдельности. Это позволяет объединенным молекулам поглощать свет более эффективно, чем если бы каждая делала это по отдельности», — пояснил доктор Джеймс Куах, автор исследования, научный сотрудник Школы физических наук и Института фотоники и перспективного зондирования (IPAS) в Университете Аделаиды.
Исследователи из Университета Аделаиды совместно с зарубежными партнерами сделали ключевой шаг к тому, чтобы квантовые батареи стали реальностью. Они успешно доказали концепцию сверхпоглощения. Чтобы создать опытный образец, ученые поместили активный слой светопоглощающих молекул (красителя Lumogen-F Orange) в микрополость между двумя зеркалами.
«Зеркала в этом микрорезонаторе были изготовлены с использованием стандартного метода изготовления высококачественных зеркал, при котором чередуются слои диэлектрических материалов — диоксида кремния и пятиокиси ниобия — для создания так называемого распределенного брэгговского отражателя
Слоистая структура, в которой показатель преломления материала периодически изменяется в одном пространственном направлении.. Это создает зеркала, которые отражают гораздо больше света, чем обычные из металла или стекла, что позволяет свету оставался внутри полости как можно дольше», — рассказал Куах.
Затем команда использовала лазер и сверхбыструю спектроскопию нестационарного поглощения, чтобы измерить, как молекулы красителя накапливают энергию и насколько быстро заряжается все устройство.
«По мере увеличения размера микрополости и количества молекул время зарядки уменьшалось. Это значительный прорыв и важная веха в разработке квантовой батареи», — сказал исследователь.
Ожидается, что к 2040 году потребление энергии вырастет на 28% по сравнению с 2015 годом. При этом большая часть по-прежнему будет приходиться на ископаемые виды топлива. Поэтому батарея, способная одновременно собирать и хранить световую энергию, обеспечила бы значительное снижение затрат и нагрузку на экологию. Новая перспективная технология производства батарей, основанная на силе квантовой механики, может стать реальностью. Следующим шагом ученых будет разработка полностью функционирующего прототипа квантовой батареи.