Впервые на практике доказан принцип квантового суперпоглощения: как ученые создают «совершенные» батареи будущего
Причудливый мир квантовой физики полон явлений, которые кажутся нам невозможными. Молекулы, например, могут настолько переплестись друг с другом, что начинают действовать коллективно, и это может привести к целому ряду квантовых эффектов. Они включают в себя сверхпоглощение, которое повышает способность молекулы поглощать свет.
«Сверхпоглощение — это квантовый коллективный эффект, при котором переходы между состояниями молекул конструктивно интерферируют», — пояснил в интервью порталу New Atlas Джеймс Квач, автор исследования. «Конструктивная интерференция возникает во всех видах волн (свет, звук, волны на воде), когда разные волны складываются вместе, чтобы дать больший эффект, чем любая волна по отдельности. Важно отметить, что это позволяет объединенным молекулам поглощать свет более эффективно, чем если бы каждая молекула действовала по отдельности».
В квантовой батарее это явление имело бы очевидную пользу. Чем больше у вас молекул, хранящих энергию, тем эффективнее они смогут поглощать эту энергию — другими словами, чем больше вы сделаете батарею, тем быстрее она будет заряжаться.
По крайней мере, так это должно работать в теории. Сверхпоглощение еще предстояло продемонстрировать в масштабе, достаточном для создания квантовых батарей, и ученым наконец удалось это сделать. Чтобы создать тестовое устройство, исследователи поместили активный слой светопоглощающих молекул — красителя, известного как Lumogen-F Orange, — в микрополость между двумя зеркалами.
«Зеркала в этом микрорезонаторе были сощданы с использованием стандартного метода изготовления высококачественных зеркал», — пояснил Квач. «Речь об использовании чередующихся слоев диэлектрических материалов — диоксида кремния и пятиокиси ниобия — для создания так называемого "распределенного брэгговского отражателя". Оно создает зеркала, которые отражают гораздо больше света, чем обычное зеркало из металла/стекла. Это важно, поскольку мы хотим, чтобы свет оставался внутри полости как можно дольше».
Затем команда использовала сверхбыструю спектроскопию нестационарного поглощения, чтобы измерить, как молекулы красителя накапливают энергию и как быстро заряжается все устройство. И действительно, по мере увеличения размера микрополости и количества молекул время зарядки уменьшалось, демонстрируя суперпоглощение в действии.
Почему это важно
В конечном счете, этот прорыв может проложить путь к практичным квантовым батареям, способным быстро заряжать электромобили или системы хранения энергии, способные справляться с выбросами энергии из возобновляемых источников. Но, конечно, для этого исследования еще очень рано.
«Основная задача, однако, состоит в том, чтобы преодолеть разрыв между доказательством принципа для небольшого устройства и применением тех же идей в более крупных, пригодных для повседневного использования устройствах. Следующие шаги будут заключаться в том, чтобы изучить, как нашу разработку можно объединить с другими способами хранения и передачи энергии, чтобы создать устройство, которое может быть практически полезным».
Группа ученых впервые продемонстрировала квантово-механический принцип сверхпоглощения, лежащий в основе квантовых батарей, в испытательном устройстве.