các pin lượng tử Chỉ trong một thời gian rất ngắn, chúng đã từ một ý tưởng gần như chỉ có trong khoa học viễn tưởng trở thành những nguyên mẫu thực tế trong phòng thí nghiệm. Những gì cho đến gần đây vẫn chỉ là mô hình trên bảng trắng và các mô phỏng, giờ đây đã trở thành những thiết bị vật lý có khả năng... để sạc, lưu trữ năng lượng và xả năng lượng. Trong thời điểm hoàn toàn khác biệt so với những gì chúng ta hiểu về pin thông thường.
Một nhóm các nhà nghiên cứu người Úc, cùng với các nhóm nghiên cứu từ châu Âu và châu Á, đã thành công trong việc phát triển... Nguyên mẫu hoạt động đầu tiên của pin lượng tửMột hệ thống siêu nhỏ có khả năng sạc trong femtogiây và lưu trữ năng lượng trong nanogiây, chứng minh rằng công nghệ này không chỉ là lý thuyết. Mặc dù vẫn còn một chặng đường dài trước khi nó có thể cung cấp năng lượng cho điện thoại di động hoặc ô tô, nhưng những gì đã đạt được mở ra cánh cửa cho tương lai. Sạc gần như tức thì, hiệu suất cao và tuổi thọ cực kỳ dài. trong các ứng dụng tương lai.
Pin lượng tử là gì và nó khác với pin thông thường như thế nào?
Không giống như pin lithium truyền thống, loại pin lưu trữ năng lượng nhờ vào... phản ứng hóa học oxy hóa-khửPin lượng tử hoạt động dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử. Thay vì di chuyển các ion giữa các điện cực bằng chất điện phân, nó sử dụng... nguyên tử, phân tử, chấm lượng tử hoặc mạch siêu dẫn Giống như những tế bào năng lượng nhỏ có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc.
Các tế bào lượng tử này có thể được đặt trong một trạng thái phấn khích Khi chúng hấp thụ năng lượng, ví dụ như dưới dạng photon ánh sáng, năng lượng đó được lưu trữ trong cấu hình điện tử của hệ thống, giống như một electron nhảy lên quỹ đạo năng lượng cao hơn. Sau đó, năng lượng đó có thể được giải phóng trở lại, thường là dưới dạng electron. photon hoặc dòng điệntùy thuộc vào cách thiết kế của thiết bị.
Điểm mấu chốt là những loại pin này dựa vào các hiện tượng như sau: sự chồng chất, sự vướng víu và sự kết hợp lượng tửThay vì mỗi tế bào hoạt động riêng lẻ, hệ thống hoạt động như một thực thể lượng tử tập thể duy nhất. Chính hành vi tập thể này đã mở khóa thời gian sạc cực nhanh và hiệu suất khó có thể sánh kịp với các thiết bị điện tử cổ điển.
Trong khi ở pin thông thường, dung lượng và thời gian sạc tỷ lệ thuận với nhau — dung lượng càng lớn thì thời gian sạc càng lâu — thì ở pin lượng tử, điều ngược lại đang được nghiên cứu: Hệ thống có dung lượng càng lớn thì tốc độ tải càng nhanh.Ý tưởng này, thoạt nhìn có vẻ phi lý, dựa trên các khái niệm lượng tử hoàn toàn trái ngược với trực giác mà chúng ta có trong cuộc sống thường nhật.
Một điểm khác biệt quan trọng nữa là sự suy giảm chất lượng. Pin hiện nay bị hao mòn theo từng chu kỳ sạc: chúng Nó mất khả năng hoạt động, điện trở nội tăng lên. Và các vấn đề về an toàn phát sinh. Các đề xuất về pin lượng tử, bằng cách không phụ thuộc vào các quá trình hóa học, nhằm mục đích giảm thiểu sự xuống mức gần như không đáng kểĐiều này sẽ tạo ra các thiết bị có tuổi thọ cực kỳ cao so với tiêu chuẩn hiện hành.
Các khái niệm lượng tử quan trọng: chồng chất, vướng víu và siêu hấp thụ
Để hiểu tại sao pin lượng tử có thể sạc nhanh đến vậy, chúng ta cần xem xét ba ý tưởng cơ bản từ vật lý lượng tử: sự chồng chéo, sự vướng mắc và các hiệu ứng tập thể như siêu hấp thụKhông cần phải đi sâu vào toán học phức tạp, nhưng bạn cần chấp nhận rằng, ở cấp độ hạ nguyên tử, mọi thứ không hoạt động giống như trong thế giới vĩ mô.
Trong trạng thái chồng chất, một hệ lượng tử có thể là ở nhiều trạng thái năng lượng cùng một lúc cho đến khi nó được đo đạc. Về lý thuyết, điều này cho phép pin lượng tử lưu trữ năng lượng dưới dạng kết hợp nhiều mức năng lượng cùng một lúc, làm tăng mật độ năng lượng có thể tích lũy trong một thể tích rất nhỏ.
Hiện tượng vướng víu lượng tử thậm chí còn khó hiểu hơn: nhiều hạt hoặc tế bào lượng tử hoạt động như thể chúng... một hệ thống duy nhất không thể tách rờiĐiều xảy ra với một tế bào sẽ ngay lập tức ảnh hưởng đến các tế bào còn lại, ngay cả khi chúng bị tách rời. Trong bối cảnh của một bộ pin, điều này cho phép... Các ô lưu trữ phối hợp với nhau. trong quá trình bốc dỡ hàng hóa, thay vì làm việc độc lập.
Từ sự hợp tác đó mà nảy sinh cái gọi là siêu hấp thụTrong một hệ thống cổ điển, nếu ta thêm nhiều phân tử hoặc tế bào, khả năng hấp thụ năng lượng sẽ tăng tuyến tính: gấp đôi số tế bào, gấp đôi khả năng hấp thụ. Trong một hệ thống lượng tử vướng mắc và mạch lạc, khả năng hấp thụ có thể tăng theo cách mà... siêu tuyến tính hoặc siêu mở rộngKhi số lượng tế bào tăng lên, công suất sạc tăng nhanh hơn so với kích thước của hệ thống.
Điều này có nghĩa là một pin lượng tử lớn hơn có thể Sạc nhanh hơn cả một thiết bị nhỏ.Các phân tử không còn hoạt động như những khối lập phương riêng lẻ trong mưa nữa mà thay vào đó đóng vai trò như một loại "siêu phân tử" thu giữ năng lượng ánh sáng với hiệu quả cao hơn nhiều. Đây chính là sự thay đổi mang tính đột phá khiến công nghệ này trở nên hấp dẫn đối với năng lượng của tương lai.
Nguyên mẫu hoạt động đầu tiên: vi khoang hữu cơ của Úc.
Minh chứng rõ ràng nhất cho tất cả những điều này đến từ đội ngũ do dẫn đầu. James Quach và Kieran Hymas, liên kết với CSIRO và Đại học Adelaide. Sau nhiều năm làm việc với các mô hình và nguyên mẫu một phần, họ đã thành công trong việc chế tạo một sản phẩm hoàn chỉnh. Pin lượng tử hoạt động có khả năng hoàn thành một chu kỳ đầy đủ Sạc, lưu trữ và xả năng lượng.
Thiết bị của bạn dựa trên một khoang vi mô hữu cơCó thể hình dung điều này như một chiếc bánh sandwich nhỏ được xếp chồng lên nhau một cách cẩn thận. Cốt lõi của hệ thống là một lớp rất mỏng của... chất bán dẫn phân tử khối lượng thấp phân tán trong ma trận polymerLớp hoạt tính này được lắng đọng bằng các kỹ thuật chính xác, chẳng hạn như phủ quay ly tâm, và được đặt giữa hai gương điện môi tạo thành khoang quang học.
Chức năng của khoang vi mô này là để tạo ra một lực sự tương tác mạnh mẽ giữa ánh sáng và vật chấtKhi các photon đi vào khoang, chúng bị giữ lại do phản xạ giữa các gương và kết hợp với các trạng thái kích thích của các phân tử hữu cơ, tạo ra các trạng thái lai giữa ánh sáng và vật chất. Ở trạng thái này, các phân tử không còn hoạt động độc lập mà trở thành... dao động và hấp thụ năng lượng một cách phối hợp..
Trong các thí nghiệm trước đó, nhóm nghiên cứu này đã chứng minh rằng, khi tăng kích thước khoang và số lượng phân tửThời gian sạc được rút ngắn nhờ khả năng siêu hấp thụ. Tuy nhiên, các nguyên mẫu này có một hạn chế quan trọng: chúng không có khả năng... Trích xuất năng lượng đã lưu trữ và chuyển đổi nó thành dòng điện hữu ích.Nói cách khác, chúng đã được sạc đầy, nhưng không hoạt động như một viên pin hoàn chỉnh.
Công trình nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications đã giải quyết được nút thắt cổ chai đó. Nhóm nghiên cứu đã bổ sung thêm... các lớp bổ sung cho vận chuyển hàng hóa Bên trong cấu trúc, cho phép thu thập năng lượng kích thích và chuyển hóa thành dòng điện có thể đo được. Bằng cách này, thiết bị không còn chỉ đơn thuần là "bể chứa ánh sáng" mà trở thành một thiết bị thực sự. Pin lượng tử hoạt động ở nhiệt độ phòng.
Tốc độ tải cực cao và giới hạn nguyên mẫu hiện tại
Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của nguyên mẫu này là thời gian sạc. Pin được sạc đầy chỉ trong vòng... femtogiâyTức là, trong khoảng thời gian tương đương với một phần triệu của một phần nghìn tỷ giây. Để bạn dễ hình dung, nếu chúng ta quy đổi hiệu năng này sang pin dùng hàng ngày, thì ta sẽ nói đến... sạc gần như tức thì Dành cho điện thoại di động, máy tính hoặc xe điện.
Ngược lại, thời gian lưu trữ được chứng minh nằm trong khoảng... nano giâyThời gian sạc lâu hơn khoảng một triệu lần. Quach thường giải thích điều này bằng một ví dụ đơn giản: nếu pin được sạc trong một phút với tốc độ đó, nó có thể... duy trì tải trọng trong nhiều nămĐây là một cách trực quan để minh họa lợi thế to lớn về tỷ lệ giữa thời gian tải và thời gian lưu giữ, ngay cả khi chúng ta vẫn đang ở trong một hệ thống nhỏ.
Vấn đề là lượng năng lượng dự trữ tuyệt đối Mức năng lượng này vẫn còn rất thấp. Chúng ta đang nói đến hàng tỷ electronvolt, một con số nghe có vẻ mạnh mẽ nhưng trên thực tế thì gần như không đáng kể. Nó không đủ để cung cấp năng lượng cho ngay cả thiết bị điện tử đơn giản nhất mà chúng ta sử dụng hàng ngày.
Hơn nữa, thực tế là Tính mạch lạc lượng tử bị mất đi trong vài nano giây. Điều này hạn chế đáng kể các ứng dụng tức thời. Việc duy trì một hệ thống lượng tử được cách ly khỏi các rung động, biến động nhiệt và trường bên ngoài là một thách thức vô cùng lớn. Hiện tượng "mất tính kết hợp" này là kẻ thù lớn của cả hai. pin lượng tử Giống như máy tính lượng tử, điều này buộc chúng ta phải làm việc ở quy mô vi mô và trong môi trường được kiểm soát chặt chẽ trong thời điểm hiện tại.
Tất cả những điều này khiến chính các nhà nghiên cứu cũng phải thận trọng trong những lời hứa của mình. Họ thừa nhận rằng, mặc dù nguyên mẫu là một bằng chứng quan trọng về tính khả thi của ý tưởng, nhưng chúng ta vẫn còn rất xa mới có thể thấy được kết quả như mong đợi. Pin lượng tử trong xe điện, điện thoại di động hoặc hệ thống gia đìnhCác bước tiếp theo bao gồm tăng kích thước thiết bị, cải thiện cấu trúc khoang và trên hết là, kéo dài thời gian lưu trữ năng lượng mà không làm mất đi những ưu điểm của khả năng siêu hấp thụ.
Các ứng dụng gần nhất: máy tính lượng tử và các thiết bị có độ chính xác cao.
Lĩnh vực mà công nghệ này có thể tạo ra tác động tức thì nhất là trong lĩnh vực... điện toán lượng tửNhững máy tính này hoạt động bằng cách sử dụng các qubit cần được điều khiển với độ chính xác cực cao và thường ở nhiệt độ rất thấp. Việc có nguồn năng lượng dựa trên các nguyên lý lượng tử giống nhau Các yếu tố điều khiển logic của bộ xử lý có thể mang lại những lợi thế đáng kể.
Một số nghiên cứu lý thuyết cho thấy pin lượng tử có thể là... Mảnh ghép còn thiếu để mở rộng quy mô máy tính lượng tử hướng tới kích thước hữu ích trong công nghiệp. Bằng cách cung cấp các xung năng lượng được đồng bộ hóa hoàn hảo với các trạng thái lượng tử của qubit, chúng có thể giảm tổn thất, cải thiện độ ổn định và tối ưu hóa khả năng điều khiển trong số những thuật toán phức tạp nhất.
Các ứng dụng cũng đang được xem xét trong các hệ thống yêu cầu phóng năng lượng rất nhanh trong khoảng thời gian cực ngắn, chẳng hạn như một số loại cảm biến lượng tử, thiết bị y tế cực kỳ tinh vi, hoặc thậm chí các thành phần truyền thông và vệ tinh, nơi mà thời gian và công suất trong các đỉnh ngắn là rất quan trọng.
Một ứng dụng thú vị khác đang được nghiên cứu là... sạc không dây từ xaMột số thiết kế, bao gồm cả một đề xuất gần đây của Trung Quốc, gợi ý việc sử dụng từ trường được tạo ra bởi các ống kim loại nhỏ Bên trong pin cho phép sạc không tiếp xúc với mức độ suy giảm tối thiểu. Trong trường hợp lý tưởng, các thiết bị như máy bay không người lái, ô tô hoặc cảm biến được phân bố khắp thành phố có thể... nhận được nguồn điện hoạt động đầy đủ mà không cần phải dừng lại hay cắm điện.
Nếu hình dung bước nhảy vọt lên quy mô lớn hơn, chúng ta có thể đạt đến điểm mà đồng hồ, máy tạo nhịp tim, điện thoại thông minh, máy tính xách tay hoặc xe cộ Chúng sẽ được sạc đầy trong vài giây và yêu cầu bảo trì tối thiểu trong suốt vòng đời. Tuy nhiên, ngay cả các chuyên gia cũng thừa nhận rằng những viễn cảnh này, dù hấp dẫn đến đâu, vẫn cần phải được khắc phục. những thách thức kỹ thuật to lớn sẽ trở nên phổ biến.
Những thách thức kỹ thuật: hiện tượng mất tính liên kết, độ ổn định và khả năng mở rộng của công nghệ.
Trở ngại chính đối với pin lượng tử là việc duy trì... các trạng thái lượng tử kết hợp trong một khoảng thời gian đủ dàiBất kỳ sự tương tác nào với môi trường—rung động, thay đổi nhiệt độ, nhiễu điện từ—đều có thể phá hủy sự liên kết tinh tế tạo nên khả năng siêu hấp thụ. Quá trình đó, sự mất kết hợpĐiều này khiến hệ thống chuyển từ hành vi lượng tử tập thể sang hành vi cổ điển và kém hiệu quả hơn nhiều.
Trong các thí nghiệm hiện tại, thời gian lưu giữ năng lượng được đo bằng nano giây hoặc micro giâyĐiều này đủ để chứng minh các nguyên lý vật lý của hiện tượng, nhưng nó còn cách rất xa so với những gì một thiết bị thực tế cần, vì nó phải duy trì năng lượng trong vài phút, vài giờ hoặc vài ngày. Kéo dài thời gian này mà không làm mất đi hành vi lượng tử tập thể là một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính.
Một thách thức khác là nhân rộng công nghệViệc duy trì sự liên kết ổn định giữa hàng triệu hoặc hàng tỷ tế bào lượng tử không phải là chuyện đơn giản. Nó đòi hỏi sự kiểm soát tinh tế đối với quá trình chế tạo các vi khoang, vật liệu hữu cơ hoặc siêu dẫn, và kiến trúc của các ống dẫn sóng hoặc mạch điện. Bất kỳ khuyết điểm hoặc sự bất đối xứng nào cũng có thể phá vỡ tính đối xứng cần thiết để hệ thống đạt trạng thái cân bằng. trạng thái tối hoặc siêu thấm hút mong muốn.
Một số nhóm, chẳng hạn như các nhóm tại Đại học Pisa hoặc Đại học Nghiên cứu PSL ở Paris, đang nghiên cứu việc sử dụng mạch siêu dẫn nhiệt độ thấp để chế tạo pin lượng tử. Những vật liệu này hầu như không có điện trở, giúp giảm thiểu tổn thất. Hiện tại, các đề xuất của họ vẫn chỉ mang tính lý thuyết, nhưng chúng mang lại nhiều lợi ích. các tuyến đường thiết kế thay thế vượt ra ngoài các khoang vi mô hữu cơ.
Ngoài ra, còn có vấn đề thứ ba: sản xuất công nghiệpViệc chuyển từ nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm ở quy mô micromet hoặc nanomet sang các thiết bị thương mại tích hợp vào tấm pin, ô tô hoặc lưới điện đòi hỏi phải phát triển các quy trình sản xuất có thể lặp lại, tiết kiệm chi phí và bền vững. Điều này yêu cầu phải làm chủ kỹ thuật lắng đọng màng mỏng, tích hợp với điện tử học truyền thống và kiểm soát chất lượng lượng tử quy mô lớn của vật liệu.
Đóng góp của tôpô học và các đề xuất lý thuyết tiên tiến nhất
Song song với các nguyên mẫu thử nghiệm, cộng đồng khoa học đang hoàn thiện lý thuyết để tìm ra các thiết kế cho pin lượng tử. mạnh mẽ và hiệu quả hơn trong điều kiện thực tếMột ví dụ điển hình là công trình hợp tác giữa Trung tâm Tính toán Lượng tử RIKEN và Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung ở Trung Quốc, đề xuất sử dụng các khái niệm về tôpô học nhằm cải thiện việc truyền tải và lưu trữ năng lượng.
Tôpô học là một nhánh của toán học nghiên cứu các thuộc tính của các hệ thống mà... Chúng không thay đổi dưới sự biến dạng liên tục.Khi được ứng dụng vào quang học và hệ thống lượng tử, nó cho phép thiết kế các cấu trúc, chẳng hạn như ống dẫn sóng quang học tôpôTrong đó năng lượng có thể di chuyển gần như không bị mất mát hay phân tán, ngay cả khi môi trường không hoàn hảo.
Phân tích của các nhà nghiên cứu này cho thấy rằng một pin lượng tử được thiết kế với ống dẫn sóng quang tử và nguyên tử hai mức năng lượng Nó có thể truyền năng lượng gần như hoàn hảo giữa các bộ phận khác nhau của hệ thống. Hơn nữa, chúng xác định các cấu hình mà trong đó thiết bị hầu như không gặp vấn đề gì. miễn nhiễm với sự tiêu tánĐây là một trong những vấn đề chính khi nói đến việc duy trì tính mạch lạc và hiệu quả lượng tử.
Ý tưởng là, bằng cách tận dụng các thuộc tính tôpô học, có thể đạt được điều đó. Năng lượng truyền qua "các kênh được bảo vệ". Bên trong pin, sao cho các khuyết tật, tạp chất hoặc những biến đổi nhỏ trong vật liệu có tác động tối thiểu. Mặc dù hiện tại đây chỉ là kết quả lý thuyết, nhưng chúng mang lại một cái nhìn sâu sắc. Một cẩm nang hữu ích cho việc thiết kế các loại pin lượng tử tôpô trong tương lai. Với các tính năng tốt hơn.
Theo tác giả chính của công trình đó, Zhi-Guang Lu, những đề xuất này giúp khắc phục những hạn chế thực tiễn của pin lượng tử do... truyền tải đường dài và tiêu tán năng lượngNếu những ý tưởng này có thể được ứng dụng trong phòng thí nghiệm, chúng ta có thể thấy các thiết bị lưu trữ năng lượng siêu nhỏ cực kỳ hiệu quả, đóng vai trò quan trọng trong... mạng cảm biến, điện tử nhúng và điện toán lượng tử phân tán.
Tác động tiềm tàng đến năng lượng và công nghệ tương lai
Nếu tất cả các hướng nghiên cứu này đều thành công, pin lượng tử có tiềm năng mang lại những lợi ích sau: cách mạng hóa việc lưu trữ năng lượng ở cả quy mô nhỏ và lớn. Ví dụ, trong lĩnh vực xe điện, chúng sẽ cho phép Sạc xe điện trong thời gian tương đương với việc đổ đầy bình xăng.Điều này giúp loại bỏ một trong những trở ngại lớn hiện nay đối với việc phổ biến rộng rãi xe điện.
Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, điện thoại thông minh, máy tính xách tay hoặc đồng hồ thông minh có thể được sạc bằng... câu hỏi về giây và hoạt động trong nhiều ngày hoặc nhiều tuần, hầu như không bị suy giảm hiệu năng theo thời gian. Điều này sẽ thay đổi hoàn toàn mối quan hệ của chúng ta với các thiết bị, nơi "nỗi lo về pin" sẽ không còn là vấn đề thường nhật nữa.
Trong lĩnh vực công nghiệp và khoa học, pin lượng tử có thể là giải pháp hoàn hảo để cung cấp năng lượng cho các hệ thống đòi hỏi... đỉnh năng lượng tập trung cao Trong khoảng thời gian cực ngắn: từ thiết bị cộng hưởng từ tiên tiến đến máy gia tốc hạt, hệ thống liên lạc vệ tinh hoặc thiết bị khẩn cấp quan trọng.
Hơn nữa, do không phụ thuộc vào chất điện giải dễ cháy hoặc các phản ứng hóa học phức tạpNhững loại pin này sẽ an toàn hơn về bản chất trước các sự cố, quá nhiệt hoặc đoản mạch. Và, kết hợp với khả năng sạc không dây thông qua tia laser hoặc từ trường, chúng sẽ mở ra cánh cửa cho... cơ sở hạ tầng năng lượng không dây, nơi năng lượng truyền đến các thiết bị gần như vô hình.
Tất cả những điều này góp phần tạo nên tầm nhìn về một tương lai tươi sáng hơn. bền vững và hiệu quảMột hệ thống lưu trữ năng lượng gần như hoàn hảo, với tổn thất tối thiểu và chu kỳ hoạt động gần như vô hạn, sẽ làm giảm đáng kể nhu cầu sản xuất và tái chế pin có chứa các vật liệu quan trọng, và sẽ rất phù hợp với... mở rộng năng lượng tái tạonhững người cần giải pháp lưu trữ đa năng và nhanh chóng.
Tuy nhiên, cho đến nay, chính cộng đồng khoa học vẫn khẳng định rằng chúng ta cần một thập kỷ hoặc hơn để xem những ứng dụng thương mại rõ ràng đầu tiên của pin lượng tử trong các thiết bị điện tử hàng ngày. Trong khi đó, chúng ta sẽ... các nguyên mẫu ngày càng tinh vi, cải thiện thời gian lưu giữ và thiết kế lai. Kết hợp tốc độ lượng tử với dung lượng của pin truyền thống.
Với tất cả các hoạt động đang diễn ra trong các phòng thí nghiệm ở Úc, châu Âu và châu Á, pin lượng tử đang tự khẳng định mình là một trong những công nghệ triển vọng nhất trên con đường năng lượng: một lĩnh vực mà ánh sáng, nguyên tử và những nguyên lý vật lý kỳ lạ nhất kết hợp để tạo ra một kịch bản trong đó Việc sạc thiết bị nên diễn ra gần như tức thì và không gây ảnh hưởng gì, giống như việc bật đèn vậy..
