За последние несколько лет некоторые исследователи работали над альтернативными системами хранения энергии, которые используют принципы квантовой механики. Эти системы, известные как квантовые батареи, могут быть более эффективными и компактными, чем традиционные технологии батарей, а также достигать более быстрого времени зарядки.
В недавней статье , опубликованной в Physical Review Letters , исследовательская группа из Университета Генуи представила новую спиновую квантовую батарею, которая использует спиновые степени свободы частиц для хранения и высвобождения энергии. Эта батарея заряжается уникальным и выгодным способом, без необходимости внешнего поля.
«Квантовая теория многих тел и неравновесная физика являются традиционными темами в группе квантовой теории конденсированного состояния, которую возглавляет Маура Сассетти в Университете Генуи», — рассказал порталу Phys.org старший автор статьи Дарио Ферраро.
«В рамках этой работы мой коллега Никколо Траверсо Зиани занимается изучением аналитически решаемых квантовых спиновых цепочек, в то время как я изучаю квантовые батареи — миниатюрные устройства, способные хранить энергию, используя принципы квантовой механики. Мы подумали, что магистерская диссертация Риккардо Граци может стать хорошим поводом для объединения наших исследовательских интересов».
Ферраро и его коллеги из Университета Генуи в конечном итоге смогли расширить свое исследование спиновых квантовых батарей до режима с очень большим количеством элементов. Это цель, которую до сих пор было невозможно достичь с помощью обычных подходов к проектированию спиновых квантовых батарей.
«Нашу квантовую батарею можно рассматривать как интеркаляцию двух наборов ½-спинов, простейших возможных квантовых систем», — пояснил Ферраро. «Правильно изменяя взаимодействие между элементами двух цепей, например, сдвигая один относительно другого, становится возможным удерживать энергию в квантовой батарее стабильным образом».
Протокол, разработанный Ферраро и его коллегами, имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими конструкциями спиновых квантовых батарей. В частности, он позволяет заряжать их батарею с помощью нового механизма, который не зависит от наличия внешнего поля.
«Основными результатами нашей работы являются исследование альтернативного протокола зарядки для спиновых квантовых батарей, который основан на зависящей от времени модуляции одного из внутренних параметров системы, а также возможность изучения этого протокола на пределе очень большого числа элементов, составляющих устройство», — сказал Ферраро.
«Мы считаем, что это откроет новые и интересные перспективы в изучении квантовых батарей, включая возможность их реализации с использованием таких систем, как нейтральные атомы , которые в настоящее время являются одними из ведущих платформ в гонке за крупномасштабные квантовые компьютеры».
Ферраро и его коллеги оценили новую конструкцию спиновой квантовой батареи и протокол зарядки в серии первоначальных тестов. Их результаты были весьма многообещающими и подчеркнули надежность их предложенного метода зарядки, который не требует большой точности для возможности манипулирования батареей в реальном времени.
В будущем это исследование может проложить путь к разработке новых высокопроизводительных и стабильных твердотельных квантовых батарей. Тем временем Ферраро и его коллеги планируют продолжить работу над своим протоколом зарядки спиновых квантовых батарей, одновременно исследуя его восприимчивость к другим факторам окружающей среды.
«В настоящее время мы изучаем, как такие факторы, как температура и дальнодействующие взаимодействия, влияют на процесс зарядки большого класса квантовых батарей, включая модель Изинга, уже кратко обсуждавшуюся в конце нашей статьи», — добавил Ферраро. «Наша главная цель — определить общую структуру, применимую к широкому спектру систем, чтобы определить, являются ли они подходящими кандидатами для внедрения в качестве квантовых батарей».