Wyzwanie w akumulatorach kwantowych
Proponowana koncepcja wykorzystująca defekty w strukturze diamentu przybliża nas nieco do praktycznego zastosowania akumulatorów kwantowych, a więc tych, które teoretycznie oferują szybsze ładowanie i większą pojemność od tradycyjnych rozwiązań. Jest to o tyle ważne, że akumulatory kwantowe (podobnie jak te ze stałym elektrolitem, które powoli stają się rzeczywistością) od lat budzą nadzieje jako potencjalna następczyni klasycznych rozwiązań. Wykorzystują zjawiska takie jak splątanie kwantowe czy superpozycja, aby gwarantować znacznie krótszy czas ładowania i większą gęstość magazynowanej energii.
Akumulatory kwantowe to urządzenia magazynujące energię, które mogą stanowić alternatywę dla klasycznych akumulatorów, potencjalnie ładując się szybciej i umożliwiając ekstrakcję większej ilości energii. – wyjaśnia zespół badawczy w publikacji Physical Review Letters.
Czytaj też: Kontrowersyjna megatama. Chiny budują rekordową hydroelektrownię, która zmieni nasz świat
Dotychczasowym hamulcem dla tej technologii magazynowania energii okazywała się dekoherencja, czyli proces, w którym systemy kwantowe tracą spójność (czyli zdolność utrzymania superpozycji stanów) przez interakcje z otoczeniem. W praktyce przekłada się to na znaczące (w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań) samoistne rozładowywanie, czyli niekontrolowane uwalnianie zmagazynowanej energii, co stanowiło główną barierę dla realnych zastosowań. Zespół z Uniwersytetu Hubei, Chińskiej Akademii Nauk i Uniwersytetu Lanzhou postanowił rozwiązać ten problem i w efekcie zaproponował nowatorskie podejście. Ich praca, opublikowana 8 lipca 2025 roku, opisuje akumulator oparty na centrach azotowo-wakansowych (NV) w diamencie. Spin elektronowy w centrum NV pełni tu rolę “magazynu” energii.
Czytaj też: Fotowoltaiczny przełom. Nie uwierzysz, co zużyte panele słoneczne mogą zrobić dla klimatu
Kluczowa innowacja? System potrafi samodzielnie tłumić proces samoistnego rozładowywania, bez konieczności stosowania zewnętrznych kontrolerów czy specjalnych ładowarek kwantowych, a jest to istotna zmiana wobec wcześniejszych koncepcji. Badacze zaobserwowali, że w ich projekcie spójna część ergotropii (czyli maksymalnej użytecznej pracy możliwej do uzyskania z układu) zanika wolniej niż energia niespójna podczas przechowywania. To spostrzeżenie stało się podstawą mechanizmu zwiększającego odporność na utratę energii. Sekret tego zachowania tkwi w specyficznym oddziaływaniu między elektronem w centrum NV a jądrem atomu azotu-14 (14N).
Główną zaletą naszego schematu baterii kwantowej w centrum NV jest to, że unikalna interakcja nadsubtelna między elektronem a jądrem 14N, której brakuje na innych platformach, pozwala nam koherentnie optymalizować ten stosunek – Jun-Hong An, współautor badania.
Czytaj też: Opakowali akumulator samochodowy w drewno i pokonali Teslę. Zaskakujące wyniki
Jak więc to działa? Ano tak, że zwiększenie udziału spójnej ergotropii w energii całkowitej znacząco ogranicza straty powodowane dekoherencją. Wstępne analizy wskazują, że ten model jest znacznie mniej podatny na samoistne rozładowanie niż dotychczasowe propozycje. Chociaż trzeba przyznać, że połączenie diamentu i fizyki kwantowej brzmi intrygująco, to produkcja takich akumulatorów na skalę przemysłową to wciąż odległa przyszłość. Jednak znaczenie tych badań wykracza poza samo przechowywanie prądu. Zespół połączył platformę stałego stanu z dynamicznie rozwijającą się termodynamiką kwantową. Praca oferuje też nową ścieżkę eksperymentalną do badania wydajności otwartych systemów kwantowych.