Gli scienziati propongono un nuovo schema per la batteria quantistica utilizzando i waveguide.

7 marzo 2024

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di Tejasri Gururaj, Phys.org

Uno nuovo studio condotto da ricercatori della Boston University propone uno schema di carica di una batteria quantistica (QB) basato su un'onda metallica cava rettangolare. Questo approccio permette loro di superare la decoerenza indotta dall'ambiente e le limitazioni della distanza di carica. I risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letters.

La domanda e l'offerta di batterie continuano a crescere con un focus sull'aumento della capacità di stoccaggio dell'energia, della longevità e delle capacità di carica. Su questo fronte, gli scienziati stanno ora sviluppando batterie quantistiche che sfruttano i principi della meccanica quantistica per immagazzinare e fornire energia.

L'obiettivo è utilizzare i principi fondamentali della meccanica quantistica come l'entanglement e la coerenza per superare i vincoli della fisica classica, ottenendo così una potenza di carica più forte, una capacità di carica più elevata e una maggiore estrazione di lavoro rispetto ai corrispettivi classici.

Il nuovo studio esplora il QB posizionando la batteria e il caricatore in un'onda cava rettangolare. Questo metodo mira a mitigare gli effetti della decoerenza per raggiungere una prestazione QB durevole ed efficiente.

Parlando della motivazione del team nell'esplorare le batterie quantistiche, l'autore principale dello studio, il Prof. Jun-Hong An dell'Università di Lanzhou, Cina, ha detto a Phys.org: "Le sfide della decoerenza causano la perdita energetica spontanea del QB, che viene chiamata l'invecchiamento del QB."

"L'altra sfida per le prestazioni pratiche del QB è la sua bassa efficienza di carica risultante dalla fragilità delle interazioni coerenti tra il QB e il suo caricatore. Volevamo superare queste sfide."

Il modello QB si basa su due sistemi a due livelli (TLS), che sono sistemi che hanno due livelli energetici distinti. Questi livelli energetici sono tipicamente rappresentati come uno stato fondamentale e uno stato eccitato.

Un sistema è la batteria stessa e l'altro è il caricatore. I processi di carica e scambio energetico tra questi TLS giocano un ruolo chiave nel funzionamento del sistema QB. I TLS vengono caricati stabilendo un accoppiamento coerente con altri TLS o campi esterni.

Nel contesto dei QB, l'accoppiamento coerente è un'interazione sincronizzata e correlata tra questi sistemi quantistici, consentendo il trasferimento o lo scambio di energia. Queste interazioni coerenti sono fragili e introducono la decoerenza in questi sistemi.

"Qualsiasi sistema quantistico non può essere assolutamente isolato dal suo ambiente esterno, il che induce inevitabilmente una decoerenza indesiderata al sistema", ha spiegato il Prof. Jun-Hong.

Questi modelli realizzano la carica tramite l'interazione diretta tra caricatore e QB. Tuttavia, questa relazione è influenzata dalla distanza tra i due con conseguente calo dell'efficienza di carica. Per superare questo problema e quello della decoerenza, i ricercatori hanno introdotto le onde rettangolari cavi.

Un'onda rettangolare è una struttura che guida le onde, tipicamente onde elettromagnetiche, lungo un percorso specifico. Agisce come un condotto per le onde, confinandole e guidandole in modo controllato.

"L'onda cava metallica rettangolare viene utilizzata per raccogliere e guidare il campo elettromagnetico per mediare il trasferimento di energia tra il QB e il caricatore", ha detto il Prof. Jun-Hong.

Il trasferimento di energia avviene senza un contatto diretto tra i due TLS, introducendo un nuovo approccio al processo di carica del QB.

Il modello dei ricercatori si basa sull'interazione quantizzata tra il campo elettromagnetico e la materia all'interno di un'onda guida.

All'interno dei confini dell'onda guida, il campo elettromagnetico possiede specifiche relazioni di dispersione e strutture di bandgap, che sono parametri che influenzano la sua propagazione e le interazioni all'interno del sistema quantistico.

Inizialmente, questo campo elettromagnetico si trova in uno stato di vuoto, il che significa che non ci sono fotoni nei suoi modi. Nel frattempo, il QB si trova nel suo stato fondamentale e il caricatore è in uno stato eccitato.

Il caricatore subisce una transizione da uno stato eccitato a uno stato fondamentale, emettendo un fotone nel campo elettromagnetico. Questo introduce un'escitazione nel campo elettromagnetico che porta il campo ad avere modi infiniti (o configurazioni possibili).

Il fotone viene successivamente assorbito dal QB che passa a uno stato eccitato.

Anche se avere modi infiniti nel campo elettromagnetico inducirebbe tipicamente decoerenza nel sistema quantistico, l'aspetto sorprendente è che i ricercatori hanno scoperto che questo campo a modi infiniti agisce come un ambiente e, contrariamente alle aspettative, facilita lo scambio energetico coerente tra QB e caricatore.

'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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