Científicos proponen un nuevo esquema para la batería cuántica utilizando guías de ondas
7 de marzo de 2024
Una característica
Este artículo ha sido examinado siguiendo el procedimiento editorial y las pautas de Science X. La credibilidad del contenido del artículo se ha establecido a través de los siguientes atributos:
- Hecho verificado
- Publicación revisada por pares
- Fuente confiable
- Corregir
Artículo de Tejasri Gururaj, Phys.org
Investigadores de la Universidad de Boston han sugerido un nuevo esquema de carga de baterías cuánticas (QB) en un nuevo estudio. Este esquema, que implica una guía de ondas de metal hueco rectangular, está diseñado para evitar problemas como la interferencia ambiental y las limitaciones de distancia de carga. Estos hallazgos se pueden encontrar en la publicación Physical Review Letters.
Actualmente, existe una demanda creciente de baterías con capacidades mejoradas de almacenamiento, longevidad y carga. Para satisfacer estas necesidades, los científicos están creando baterías cuánticas, capaces de almacenar y suministrar energía mediante los principios de la mecánica cuántica.
Los principios fundamentales de la mecánica cuántica, como el entrelazamiento y la coherencia, se utilizan con el objetivo de superar las limitaciones de la física clásica. El objetivo final es mejorar la potencia de carga, aumentar la capacidad de carga y una mayor extracción de trabajo en relación con sus homólogos clásicos.
El nuevo estudio examina el QB ubicando la batería y el cargador dentro de una guía de ondas hueca rectangular. Esta metodología tiene como objetivo mitigar los efectos de la decoherencia para lograr un desempeño de QB sostenible y eficaz.
Al explicar la inspiración del equipo para investigar las baterías cuánticas, el profesor Jun-Hong An de la Universidad de Lanzhou, China, afirmó que el envejecimiento de QB, comúnmente conocido como pérdida espontánea de energía de QB, surge debido a "desafíos de decoherencia". Otro desafío para el desempeño práctico del QB es su débil eficiencia de carga debido a las delicadas interacciones coherentes entre el QB y su cargador. Esperan superar estos problemas.
El modelo QB depende de dos sistemas de dos niveles (TLS), sistemas con dos niveles de energía diferentes. Tradicionalmente, estos niveles de energía se caracterizan como un estado fundamental y un estado excitado.
Un sistema es el QB y el otro es el cargador. Los procedimientos de carga e intercambio de energía entre estos TLS tienen un papel crucial en el funcionamiento del sistema QB. Los TLS se cobran mediante el establecimiento de un acoplamiento coherente con otros TLS o campos externos.
En el marco de los QB, un acoplamiento coherente es una interacción coordinada entre estos sistemas cuánticos, que permite la transferencia o el intercambio de energía. Estas delicadas interacciones introducen decoherencia en estos sistemas.
El profesor Jun-Hong explicó que ningún sistema cuántico puede aislarse completamente de su entorno exterior, lo que da lugar a una decoherencia no deseada.
Sin embargo, este modelo de carga introduce guías de ondas huecas rectangulares para abordar tanto la disminución de la eficiencia de carga basada en la distancia como el problema de decoherencia.
Una guía de ondas de metal hueco rectangular funciona reuniendo y dirigiendo el campo electromagnético para mediar en la transferencia de energía entre el QB y el cargador, explicó el profesor Jun-Hong. Este modelo permite la transferencia de energía sin contacto directo, introduciendo un nuevo enfoque en la carga QB.
El uso de una guía de ondas en su modelo gira en torno a la interacción cuantificada entre el campo electromagnético y la materia que contiene.
Dentro de la guía de ondas, el campo electromagnético contiene relaciones de dispersión específicas y estructuras de banda prohibida, que influyen en su propagación e interacciones dentro del sistema cuántico. Inicialmente, cuando el campo electromagnético está en un estado de vacío con el QB en el estado fundamental y el cargador en un estado excitado, se emite un fotón en el campo electromagnético a medida que el cargador pasa del estado excitado al estado fundamental. Esto introduce una excitación en el campo electromagnético, que conduce a infinitos modos.
Luego, el QB absorbe el fotón provocando que pase a su estado excitado. A pesar de que normalmente induce la decoherencia, los investigadores descubrieron sorprendentemente que el campo de modo infinito actúa como un entorno que en realidad ayuda al intercambio coherente de energía entre el QB y el cargador.
"Nuestro trabajo revela un mecanismo para lograr que se produzca un intercambio coherente de energía entre el QB y el cargador mediante la función de mediación del campo electromagnético de modo infinito", explicó el profesor Jun-Hong.
El inesperado hallazgo de que la decoherencia en el sistema no conduce al envejecimiento del QB contradice la creencia popular. En cambio, los investigadores señalan que el intercambio de energía es un proceso de carga óptimo, que normalmente se espera en escenarios donde el cargador y el QB interactúan directamente.
Además, su esquema QB mostró un largo alcance para la carga inalámbrica, y la formación de dos estados ligados en el espectro de energía de todos los sistemas (QB-cargador-entorno) desempeña un papel crucial.
"La moraleja de nuestro trabajo es que las interconexiones cuánticas favorecidas por la guía de ondas nos proporcionan una forma útil de superar los desafíos en la realización práctica de QB", añadió el profesor Jun-Hong.
