Wissenschaftler schlagen ein neues Schema für die Quantenbatterie unter Verwendung von Wellenleitern vor

7. März 2024 Merkmal

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von Tejasri Gururaj, Phys.org

Eine neue Studie von Forschern der Boston University schlägt ein Ladeschema für einen Quantenakku (QB) basierend auf einem rechteckigen hohlen Metallwellenleiter vor. Mit diesem Ansatz gelingt es ihnen, Umwelt-bedingte Dekohärenz und Ladeentfernungsbeschränkungen zu überwinden. Die Ergebnisse werden in Physical Review Letters veröffentlicht.

Die Nachfrage und das Angebot an Akkus steigen weiter, wobei der Schwerpunkt auf der Verbesserung der Energiespeicherung, Langlebigkeit und Ladekapazitäten liegt. In diesem Zusammenhang entwickeln Wissenschaftler nun Quantenakkus, die Prinzipien der Quantenmechanik nutzen, um Energie zu speichern und bereitzustellen.

Ziel ist es, grundlegende Prinzipien der Quantenmechanik wie Verschränkung und Kohärenz zu nutzen, um die Beschränkungen der klassischen Physik zu überwinden und so eine stärkere Ladeleistung, höhere Ladekapazität und größere Arbeitsentnahme im Vergleich zu klassischen Gegenstücken zu erreichen.

Die neue Studie untersucht den QB, indem der Akku und das Ladegerät in einem rechteckigen hohlen Wellenleiter platziert werden. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Auswirkungen der Dekohärenz zu mildern, um eine langanhaltende und effiziente Leistung des QB zu erreichen.

In Bezug auf die Motivation des Teams, Quantenakkus zu erforschen, sagte der Hauptautor der Studie, Prof. Jun-Hong An von der Lanzhou University, China, gegenüber Phys.org: "Dekohärenz-Herausforderungen verursachen den spontanen Energieverlust des QB, der als Alterung des QB bezeichnet wird."

"Eine andere Herausforderung für die praktische Leistung des QB ist seine geringe Ladeeffizienz, die auf der Fragilität der kohärenten Interaktionen zwischen dem QB und seinem Ladegerät beruht. Wir wollten diese Herausforderungen überwinden."

Das QB-Modell basiert auf zwei Zwei-Niveau-Systemen (TLSs), die Systeme mit zwei verschiedenen Energielevels sind. Diese Energielevels werden typischerweise als Grundzustand und angeregter Zustand dargestellt.

Ein System ist der Akku selbst und das andere ist das Ladegerät. Die Lade- und Energieaustauschprozesse zwischen diesen TLSs spielen eine wichtige Rolle in der Funktionsweise des QB-Systems. Die TLSs werden aufgeladen, indem eine kohärente Kopplung mit anderen TLSs oder externen Feldern hergestellt wird.

Im Kontext der QBs ist eine kohärente Kopplung eine synchronisierte und korrelierte Interaktion zwischen diesen Quantensystemen, die den Transfer oder Austausch von Energie ermöglicht. Diese kohärenten Interaktionen sind fragil und führen zu Dekohärenz in diesen Systemen ein.

"Jedes Quantensystem kann nicht absolut von seiner äußeren Umgebung isoliert werden, was zwangsläufig eine unerwünschte Dekohärenz im System verursacht", erklärte Prof. Jun-Hong.

Diese Modelle realisieren die Ladung durch direkte Ladegerät-QB-Interaktion. Diese Beziehung wird jedoch durch den Abstand zwischen den beiden beeinflusst, was zu einem Rückgang der Ladeeffizienz führt. Um dieses Problem und das Dekohärenzproblem zu überwinden, führten die Forscher rechteckige hohle Wellenleiter ein.

Ein Wellenleiter ist eine Struktur, die Wellen, in der Regel elektromagnetische Wellen, entlang eines bestimmten Pfads führt. Es fungiert als Leitung für die Wellen, wodurch sie konzentriert und kontrolliert in einer bestimmten Weise reisen.

"Der rechteckige hohle Metallwellenleiter wird verwendet, um das elektromagnetische Feld zu sammeln und zu leiten, um den Energietausch zwischen dem QB und dem Ladegerät zu vermitteln", sagte Prof. Jun-Hong.

Der Energietausch erfolgt ohne direkten Kontakt zwischen den beiden TLSs und stellt damit einen neuen Ansatz für den Ladevorgang des QB dar.

Das Modell der Forscher beruht auf der quantisierten Interaktion zwischen dem elektromagnetischen Feld und Materie innerhalb eines Wellenleiters.

Innerhalb der Grenzen des Wellenleiters besitzt das elektromagnetische Feld spezifische Dispersionsrelationen und Bandstruktur, die Parameter beeinflussen, die seine Ausbreitung und Interaktionen im Quantensystem steuern.

Zu Beginn befindet sich dieses elektromagnetische Feld im Vakuumzustand, d.h. es befinden sich keine Photonen in seinen Modi. In der Zwischenzeit ist der QB in seinem Grundzustand, und das Ladegerät befindet sich in einem angeregten Zustand.

Das Ladegerät durchläuft einen Übergang von einem angeregten Zustand zum Grundzustand und emittiert ein Photon in das elektromagnetische Feld. Dies führt zu einer Anregung im elektromagnetischen Feld, wodurch das Feld unendlich viele Modi (oder mögliche Konfigurationen) erhält.

Das Photon wird anschließend vom QB absorbiert, was zu einem Übergang in einen angeregten Zustand führt.

Obwohl die unendlich vielen Modi im elektromagnetischen Feld normalerweise zu Dekohärenz im Quantensystem führen würden, haben die Forscher überraschenderweise festgestellt, dass dieses unendlich-mode Feld als Umgebung fungiert und im Gegensatz zu den Erwartungen einen kohärenten Energieaustausch zwischen QB und Ladegerät ermöglicht.

'Our work reveals a mechanism for making a coherent QB-charger energy exchange happen by the mediation role of the infinite-mode electromagnetic field,' explained Prof. Jun-Hong.

The unexpected finding that decoherence in the system doesn't lead to the aging of the QB contradicts popular belief. Instead, the researchers note that the energy exchange is an optimal charging process—typically expected in scenarios where the charger and QB directly interact.

Further, their QB scheme showed a long range for wireless charging, with the formation of two bound states in the energy spectrum of the total systems (QB-charger-environment) playing a crucial role.

'A take-home message of our work is that the quantum interconnects favored by the waveguide supply us with a useful way to overcome the challenges in the practical realization of QB,' added Prof. Jun-Hong.

This improves the effectiveness of QB and opens the door to the possibility of lighter and thinner devices with greater facilitation, which also stands out for its durability.

Prof. Jun-Hong also highlighted that their device was completely safe and harmless as the electromagnetic field is always confined within the waveguide and the QB's energy storage, free from electrochemical reactions, promotes infinite reusability without environmental pollution.

The next step for the researchers is to scale their QB scheme.

'More specifically, we plan to develop a many-body QB model working in the way of remote wireless charging. This could permit us to efficiently incorporate the superiority of quantum entanglement in enhancing the charging power, charging capacity, and the extractable work of a remote-charging and anti-aging QB,' concluded Prof. Jun-Hong.

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

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