Учени създадоха прототип на квантова батерия, която може да се зарежда за фемтосекунди - квадрилионни части от секундата, и след това да произведе електрически ток. Разработката е важна стъпка за технология, която досега до голяма степен оставаше в сферата на теорията и лабораторните експерименти, но все още е далеч от практическа употреба.

Устройството е разработено от екип, ръководен от изследователя в областта на квантовите науки Джеймс Куач от австралийската научна агенция CSIRO.

В основата му е квантов ефект, известен като "суперабсорбция". Казано по-просто, при него увеличаването на броя на участващите молекули може да ускори поглъщането на енергия.

Това е обратното на обичайното при конвенционалните батерии, при които по-големият размер по принцип означава и повече време за зареждане.

Новият прототип обаче не означава, че квантовите батерии скоро ще заменят литиево-йонните в телефоните, лаптопите или електромобилите. Засега устройството съхранява съвсем малко количество енергия и я задържа едва за наносекунди.

Два огледални слоя и органични молекули

Прототипът използва оптична микрокухина, изградена от две огледала, разделени от около 100 нанометра. Пространството между тях е запълнено с молекули на органично багрило.

Когато лазер освети системата, светлината и молекулите взаимодействат силно и образуват хибридни състояния между светлина и материя. Вместо всяка молекула да поглъща енергия независимо, както би станало в класическа система, молекулите реагират колективно.

Именно това позволява изключително бързото зареждане.

Батерията поема енергия за фемтосекунди, докато може да я задържи за наносекунди - приблизително шест порядъка по-дълго от времето, необходимо за зареждането.

Екипът на Куач демонстрира суперабсорбцията още през 2022 г. Новото в последния експеримент е възможността натрупаната енергия да бъде извлечена като електрически ток.

Токът все още е слаб, но самият факт, че може да бъде получен, е важна стъпка към превръщането на квантовата батерия от лабораторен експеримент в потенциално използваемо устройство.

Не става дума за повече енергия

Основното предимство на квантовите батерии не се очаква да бъде способността им да съхраняват значително повече енергия от конвенционалните. Потенциалът им е в много бързото зареждане и прецизното отдаване на енергия.

Дарио Фераро, доцент по физика в Университета на Генуа, обяснява пред Би Би Си, че идеята е квантовите батерии да подобрят скоростта и контрола при предаването на енергия, а не непременно количеството, което може да бъде съхранено.

Разстоянието между сегашния прототип и реален източник на захранване обаче остава огромно. Устройството съхранява само няколко милиарда електронволта енергия и я задържа за много кратко време. За практическа употреба ще са необходими многократно по-голям капацитет и значително по-дълго време за съхранение.

Екипът вече работи по хибридна конструкция, която трябва да атакува точно този проблем. Идеята е квантови компоненти да осигуряват бързото зареждане, а класически слоеве да задържат енергията за по-дълго.

Учените планират и свързването на множество микроскопични батерии.

"Ако направим тези две неща, тогава вече ще сме на път да можем да захранваме конвенционално устройство", казва Куач.

Предимството е, че работи при стайна температура

Оптичната система има още едно важно практическо преимущество - работи при стайна температура.

Други концепции за квантови батерии използват свръхпроводящи материали. Те вече имат приложение в квантовите компютри, но изискват изключително ниски температури, които могат да паднат под минус 150 градуса по Целзий.

"Това е подходящо за квантови компютри, но не е особено полезно за захранването на мобилния ви телефон", казва Куач.

И оптичният подход има ограничения. Квантовият физик Мауро Патерностро от Queen's University Belfast посочва пред Би Би Си, че микрокухината е добър начин да се покаже принципът на квантовото зареждане, но извличането на енергията по контролиран и практически полезен начин остава трудно.

"Микрокухината ви дава прекрасна колективна демонстрация, но слаб контрол върху извличането на енергията в полезна, насочена форма", казва той.

Първо приложение - вероятно в квантови устройства

Ако квантовите батерии стигнат до практическа употреба, първите им приложения вероятно няма да бъдат в потребителската електроника.

По-естествена среда за тях са квантовите устройства, които и сега работят със специализирано оборудване и при специфични условия. Според Куач подобни батерии един ден биха могли да намалят енергопотреблението на квантовите системи и да подпомогнат по-бързата и надеждна работа. Тези възможности обаче все още не са доказани експериментално.

Фераро също предупреждава, че квантовите ефекти са крехки и могат да се разрушат при взаимодействието на системата с околната среда.

"Според мен квантовите батерии едва ли ще заменят конвенционалните батерии във всекидневни приложения като мобилни телефони или електрически автомобили", казва той. "Естествената им област е квантовият мащаб."

Последният прототип все пак показва две важни неща - че квантовите ефекти могат да бъдат използвани за изключително бързо поглъщане на енергия и че след това от системата може да бъде извлечен електрически ток.

Следващите задачи пред учените са далеч по-практични: да увеличат количеството съхранявана енергия, да удължат времето за нейното задържане и да намерят начин тя да бъде освобождавана контролирано там, където е необходима.