Литий — прошлый век: учёные создали квантовую батарею, она заряжается за фемтосекунды

Учёные австралийского национального научного агентства CSIRO разработали прототип квантовой батареи с необычным свойством: скорость её зарядки увеличивается вместе с размером. Исследователям также удалось добиться получения электрического тока из накопленной энергии, что приближает концепцию к созданию полноценного устройства хранения энергии.

Источник изображения: CSIRO через BBC

Разработкой занимается команда квантового физика Джеймса Куача. В отличие от литий-ионных аккумуляторов, прототип не использует химические реакции для накопления энергии. Вместо этого он основан на коллективных квантовых эффектах взаимодействия света и вещества.

Основой устройства служит оптическая микрополость из двух крошечных зеркал, расположенных примерно в 100 нанометрах друг от друга — примерно в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Пространство между зеркалами заполнено молекулами органического красителя и освещается лазером.

Взаимодействие фотонов с молекулами создаёт гибридные состояния света и вещества — поляритоны. При этом возникает эффект сверхпоглощения: молекулы начинают поглощать энергию коллективно, а не независимо друг от друга.

Именно здесь проявляется главное необычное свойство технологии. Чем больше молекул участвует в системе, тем быстрее происходит поглощение энергии. Поэтому увеличение размера квантовой батареи теоретически не замедляет её зарядку, как можно ожидать от обычного аккумулятора, а наоборот — ускоряет.

Экспериментальный образец заряжается за фемтосекунды — квадриллионные доли секунды. Накопленная энергия сохраняется в течение наносекунд, то есть примерно в миллион раз дольше самого процесса зарядки.

Однако до аккумулятора для смартфона или электромобиля технологии чрезвычайно далеко. Ёмкость нынешнего прототипа микроскопическая — всего несколько миллиардов электрон-вольт. Главная задача исследователей заключается не только в увеличении этого показателя, но и в стабильном извлечении накопленной энергии.

Новый эксперимент стал важным шагом именно в этом направлении. Команда добавила в конструкцию дополнительный слой, позволивший получить от квантовой батареи электрический ток. Подробные результаты ещё анализируются и будут представлены в отдельной научной работе.

Ещё одно преимущество разработки CSIRO — работа при комнатной температуре. Некоторые альтернативные концепции квантовых батарей используют сверхпроводники и требуют охлаждения ниже примерно -150 °C, что значительно усложняет практическое применение.