Квантовая батарея заряжается за фемтосекунды, но хранит энергию лишь наносекунды

Учёные из CSIRO собрали первый рабочий прототип квантовой батареи. Он заряжается за фемтосекунды, то есть за квадриллионные доли секунды, но удерживает энергию всего наносекунду. Об этом сообщает BBC, ссылаясь на работу команды Джеймса Куэча.

Принцип работы прототипа не похож на обычные аккумуляторы. Вместо химической реакции здесь используется оптический микрорезонатор: два зеркала стоят примерно в 100 нм друг от друга, пространство между ними заполняют органические красители, а затем в систему направляют лазер. Свет и молекулы входят в сильную связь, образуя гибридные светово-материальные состояния, которые усиливают поглощение и запасание энергии.

Самый необычный эффект связан с суперпоглощением. В классической физике молекулы ведут себя независимо, а в этой схеме действуют согласованно. Из-за этого скорость поглощения растёт вместе с числом молекул, так что более крупная батарея заряжается быстрее.

По данным BBC, прототип Куэча заряжается за фемтосекунды и удерживает заряд примерно в миллион раз дольше, чем длится сам процесс зарядки. При этом речь идёт о совсем небольшом запасе энергии: батарея хранит лишь несколько миллиардов электронвольт. Для питания привычных устройств этого недостаточно.

Развитие квантовой батареи

Команда уже собрала новую схему, которая должна снять часть ограничений. Куэч говорит, что в ней квантовые компоненты отвечают за сверхбыструю зарядку, а классические слои нужны, чтобы удерживать энергию дольше. Исследователи также хотят объединять много микроскопических квантовых батарей, чтобы нарастить общую ёмкость.

У этого подхода есть и практическое отличие. Оптический микрорезонатор работает при комнатной температуре, тогда как альтернативные проекты на сверхпроводниках требуют криогенных условий ниже -150 °C. Куэч прямо говорит, что такой режим подходит для квантовых компьютеров, но не слишком удобен для телефона.

Мауро Патерностро из Университета королевы в Белфасте считает оптическую схему сильным доказательством того, что квантовая зарядка действительно работает. Но он же указывает на слабое место таких систем: из них трудно извлекать энергию в управляемом и полезном виде.

Тема квантовых батарей остаётся на ранней стадии. Обычные батареи опираются на электрохимические процессы, которые развивались больше двух веков, а здесь учёные ищут способ использовать квантовые эффекты для более быстрой и точной передачи энергии. В такой постановке задача состоит не в том, чтобы хранить как можно больше, а в том, чтобы отдавать энергию быстрее и с лучшим контролем.

Куэч считает, что его группа сможет применить квантовые батареи для питания квантовых устройств в ближайшие несколько лет. Он также допускает, что в перспективе технология подойдёт для обычных устройств и даже для электромобилей, если зарядка лазером действительно окажется удобной на практике. Но для этого ещё нужно показать, что система умеет не только быстро заряжаться, но и отдавать накопленную энергию в нужном состоянии и в нужном месте.