Ученые создали квантовую батарею нового типа: зачем она нужна и как работает

Группа исследователей из Университета Генуи разработала спиновую квантовую батарею — систему хранения энергии, использующую спиновые степени свободы частиц. Об этом пишет Interesting Engineering.

Аккумулятор использует спиновые свойства частиц для хранения и высвобождения энергии, используя особый метод зарядки, который устраняет необходимость во внешнем поле.

Квантовые батареи — миниатюрные устройства, предназначенные для хранения энергии с использованием принципов квантовой механики. Ученые расширили свое исследование спиновых квантовых батарей до режима, включающего значительно большее количество элементов. Это достижение преодолело ограничения, с которыми ранее сталкивались традиционные подходы к проектированию таких батарей.

Квантовая батарея работает путем интеркалирования двух наборов ½-спинов, которые являются простейшими возможными квантовыми системами. Регулируя взаимодействие между элементами двух цепей, например, сдвигая один относительно другого, можно удерживать энергию в квантовой батарее стабильным образом.

Разработанный протокол предлагает несколько преимуществ по сравнению с существующими конструкциями спиновых квантовых батарей, в частности, позволяя батарее заряжаться без опоры на внешнее поле.

Кроме того, основные результаты их работы включают разработку альтернативного протокола зарядки для спиновых квантовых батарей, который опирается на зависящую от времени модуляцию одного из внутренних параметров системы, а также возможность изучения этого протокола в системе с очень большим количеством элементов.

Эта разработка может открыть новые возможности в исследовании квантовых батарей, включая потенциал использования таких систем, как нейтральные атомы, которые важны для крупномасштабных квантовых компьютеров.

Команда протестировала новую конструкцию спиновой квантовой батареи и протокол зарядки в серии начальных экспериментов. Результаты оказались весьма многообещающими, продемонстрировав надежность предлагаемого метода зарядки, который не требует прецизионной точности для манипулирования батареей в реальном времени.

Это исследование может привести к разработке более эффективных и стабильных твердотельных квантовых батарей. Опираясь на свою предыдущую работу, команда теперь изучает, как такие факторы, как температура и дальнодействующие взаимодействия, влияют на процесс зарядки различных квантовых батарей, включая модель Изинга. Главная цель — создать общую структуру, которая может оценить пригодность различных систем для использования в качестве квантовых батарей.

Ранее физики приблизились к созданию квантовых батарей, заряжающихся от света. Они планируют собрать рабочий прототип в ближайшие 3-5 лет.