Kwantowa bateria ładuje się w biliardową część sekundy. Czy to koniec ładowania smartfonów?

Co byś powiedział, gdyby twój telefon ładował się w ułamek sekundy, a potem działał przez lata? Brzmi jak science fiction? A jednak naukowcom z Uniwersytetu w Melbourne i australijskiej agencji naukowej CSIRO udało się właśnie zbudować pierwszy działający prototyp kwantowej baterii. Jej działanie opisano na łamach czasopisma Light: Science & Applications.

Fizyka, która łamie zdrowy rozsądek

→ Czytaj też: Schrödinger nie znał DNA, a i tak zadał pytanie, które wciąż napędza fizyków

Zwykły akumulator litowo-jonowy magazynuje energię dzięki przepływowi jonów między elektrodami. W baterii kwantowej nie ma tego podziału. Energia przechowywana jest jako wzbudzenie elektromagnetyczne wśród spójnych molekuł – cząsteczek, które dzielą ze sobą nieprzypadkowe stany wewnętrzne, takie jak energia wibracyjna czy stan elektronów. Dzięki temu utrzymują one względem siebie stałą relację.

Kluczem jest zjawisko koherencji kwantowej, w którym masa cząstek istnieje jednocześnie w wielu stanach (superpozycja), a przy tym zachowuje się w przewidywalny sposób względem siebie. Gdy takie cząstki gromadzą się w baterii, ulegają splątaniu kwantowemu – tworzą jeden, większy układ, w którym każda cząstka jest funkcjonalnie tożsama z pozostałymi.

„Podobnie jak konwencjonalne baterie, kwantowe ładują się, przechowują i rozładowują energię” — tłumaczy James Hutchinson, współautor badania i profesor chemii fizycznej na Uniwersytecie w Melbourne. „Ale podczas gdy codzienne baterie opierają się na reakcjach chemicznych, kwantowe wykorzystują właściwości mechaniki kwantowej. Zaletą jest to, że układ pochłania światło w jednym, gigantycznym zdarzeniu 'superabsorpcji’ i to właśnie ładuje baterię szybciej”.

„Superabsorpcja” – klucz do ultraszybkiego ładowania

→ Czytaj też: Kot Schrödingera przemówił. Poemat w Scientific American o kwantach i świadomości

Superabsorpcja to proces, w którym grupa spójnych molekuł pochłania światło z szybkością równą kwadratowi liczby tych molekuł. Im więcej cząstek, tym wydajniej układ pobiera energię – co oznacza, że czas ładowania skraca się wraz ze zwiększaniem rozmiaru baterii. Paradoksalnie: im pojemniejszy akumulator, tym szybciej go naładujemy.

By to osiągnąć, badacze zastosowali model Dickego z optyki kwantowej, który zakłada, że gdy światło i materia zostaną sprzężone w odpowiednim stosunku, grupa emiterów może emitować światło w jednym, krótkim i intensywnym impulsie. W praktyce bateria składa się z warstw organicznych półprzewodników umieszczonych pomiędzy srebrnymi lustrami, tworząc mikrownękę – strukturę, która uwięzi światło, odbijając je wielokrotnie. To właśnie mikrownęka zapewnia odpowiednie środowisko do zajścia sprzężenia i superabsorpcji.

Rekord: femtosekunda ładowania, lata działania

W testach w laboratorium Ultrafast and Microspectroscopy Laboratories na Uniwersytecie w Melbourne naukowcy wystrzelili impuls laserowy o szerokości pasma 31 nanometrów trwający zaledwie jedną femtosekundę (biliardową część sekundy). To wywołało stan wzbudzenia w molekułach, który utrzymywał się przez kilkadziesiąt nanosekund – setki milionowych części sekundy. Brzmi krótko? To jednak oznacza, że bateria jest w stanie przechowywać ładunek milion razy dłużej, niż trwało jej ładowanie.

James Quach, główny badacz i kierownik naukowy w CSIRO, powiedział w rozmowie z The Guardian, że w większej skali bateria, która ładowałaby się przez minutę, mogłaby pozostać naładowana przez „kilka lat”. To zmienia wszystko.

Wyzwania i przyszłość: od mikrownęki do drona w locie

Największym wyzwaniem pozostaje tzw. dekoherencja – zjawisko, w którym zakłócenia z otoczenia (szum) niszczą delikatne stany kwantowe. Energia w baterii kwantowej jest na nią wyjątkowo podatna. Naukowcy muszą więc opracować sposoby, by chronić układ przed wpływem środowiska, zachowując przy tym możliwość skalowania baterii do rozmiarów praktycznych.

Jeśli ten problem uda się rozwiązać, konsekwencje będą ogromne. Andrew White, szef Quantum Technology Laboratory na Uniwersytecie w Queensland, sugeruje, że pierwszym zastosowaniem mogłoby być zasilanie komputerów kwantowych przy bardzo niskim koszcie energetycznym. Ale to nie wszystko. Ładowanie zdalne za pomocą laserów otwiera drogę do baterii w dronach czy samolotach – wystarczyłoby je „doświetlić” w locie.

Bateria kwantowa nie jest już tylko ciekawostką teoretyczną. To realny prototyp, który demonstruje, że prawa mechaniki kwantowej można okiełznać na potrzeby magazynowania energii. Jeśli naukowcom uda się opanować dekoherencję, nasze smartfony, samochody i cała energetyka mogą wkrótce wejść w nową, kwantową erę. A to dopiero początek.