Аккумулятор, который абсолютно не разряжается при хранении? Квантовая физика делает это возможным, утверждают исследователи из университетов Торонто и Альберты (Канада). В издании Journal of Physical Chemistry C они описали идею батареи, которая может хранить энергию вечно.
"Батареи, с которыми мы более знакомы, – например, литий-ионная батарея, которая питает ваш смартфон, – основаны на классических электрохимических принципах, тогда как квантовые батареи опираются исключительно на квантовую механику, – рассказывает лидер исследовательской группы Габриэль Ханна (Gabriel Hanna). – Квантовая батарея — это крошечная, наноразмерная батарея, предназначенная для использования в наноразмерных приложениях".
Авторы предлагают использовать так называемые тёмные состояния. В таком состоянии квантовая система не может ни поглощать, ни излучать фотоны. Не испуская излучения, она сохраняет накопленную в ней энергию. Теоретически такое положение дел может сохраняться вечно.
При этом тёмные состояния атомов давно известны физикам. Они используются, например, в различных детекторах радиации. Поглотив квант излучения, атом чувствительного вещества переходит в тёмное состояние и сохраняет полученную энергию. Так детектор запоминает, какую дозу он поглотил во время измерения. Затем атомы искусственно выводят из этого состояния, заставив "разрядиться", и измеряют запасённую энергию.
По сути, такая система уже представляет собой крошечный аккумулятор. Но энергия, запасённая отдельным атомом или объектом сравнимого масштаба, ничтожна. Поэтому-то создание тёмных состояний обычно не рассматривают как перспективную энергетическую технологию. Вместо этого учёные активно обсуждают возможное применение этого эффекта для создания кубитов (квантовых битов) для квантовых компьютеров. Действительно, систему, которая устойчиво сохраняет исходное состояние, можно использовать в качестве элемента памяти в вычислительной машине.
Однако Ханна и его коллеги уверены, что это явление можно использовать и для хранения энергии. В качестве аккумулятора они предлагают использовать сеть из кубитов, имеющую особую геометрическую структуру.
"Фокус в том, чтобы привести эту квантовую сеть в так называемое тёмное состояние, – говорит учёный. – Находясь в тёмном состоянии, сеть не может обмениваться энергией с окружающей средой. По сути, система становится невосприимчивой ко всем воздействиям окружающей среды. Это означает, что батарея будет очень устойчива к потерям энергии".
Электроны, содержащиеся в кубитах, будут поглощать энергию и переходить на новые энергетические уровни, в результате чего будут продуцироваться квазичастицы экситоны. При этом вся сеть будет погружаться в коллективное тёмное состояние. Совокупная энергия, запасённая в сети, может быть достаточно велика для питания хотя бы миниатюрного устройства.
Компьютерное моделирование подтвердило жизнеспособность этой концепции. Авторы также рассчитали, как вывести такую батарею из тёмного состояния и заставить её отдавать энергию девайсу.
Отметим, что работа канадских физиков – это предварительное теоретическое обоснование идеи. На практике манипулировать коллективными квантовыми состояниями сети кубитов чрезвычайно сложно, так что трудно сказать, когда заявленный принцип будет реализован хотя бы в лаборатории.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о батарее, которая генерирует энергию, излучая фотоны в космос. Также мы писали о хранении энергии в краске, светящейся в темноте, и об аккумуляторах на основе белков.
