Para ilmuwan mengusulkan skema baru untuk

Pertukaran energi yang tidak hilang dan koheren antara baterai kuantum yang terpisah dan pengisi daya kuantum dimediasi oleh medan elektromagnetik. Hal ini memungkinkan realisasi pengisian jarak jauh dan baterai kuantum anti-penuaan. Kredit: Prof. Jun-Hong An.

Sebuah studi baru yang dilakukan oleh peneliti Universitas Boston mengusulkan skema pengisian baterai kuantum (QB) berdasarkan pandu gelombang logam berongga persegi panjang. Pendekatan ini memungkinkan mereka mengatasi dekoherensi lingkungan dan keterbatasan jarak pengisian daya. Temuan ini dipublikasikan di Physical Review Letters.

Permintaan dan pasokan baterai terus tumbuh dengan fokus pada peningkatan penyimpanan energi, umur panjang, dan kemampuan pengisian daya. Di bidang ini, para ilmuwan kini mengembangkan baterai kuantum yang menggunakan prinsip mekanika kuantum untuk menyimpan dan menyalurkan energi.

Tujuannya adalah menggunakan prinsip dasar mekanika kuantum, seperti keterjeratan dan koherensi, untuk mengatasi keterbatasan fisika klasik, sehingga mencapai kinerja pengisian daya yang lebih kuat, kapasitas pengisian daya yang lebih tinggi, dan konsumsi kerja yang lebih besar dibandingkan dengan versi klasik.

Studi baru menyelidiki QB dengan menempatkan baterai dan pengisi daya dalam pandu gelombang berongga persegi panjang. Metode ini bertujuan untuk memitigasi dampak dekoherensi untuk mencapai kinerja QB jangka panjang dan efisien.

Berbicara tentang motivasi tim untuk mengeksplorasi baterai kuantum, penulis utama studi tersebut, Prof. Jun-Hong An dari Universitas Lanzhou, Tiongkok, mengatakan kepada Phys.org: “Tantangan dekoherensi menyebabkan hilangnya energi QB secara spontan, yang disebut penuaan. dari QB.”

“Tantangan lain bagi kinerja praktis QB adalah rendahnya efisiensi pengisian daya akibat rapuhnya interaksi yang koheren antara QB dan pengisi dayanya. Kami ingin mengatasi tantangan ini.”

Baterai kuantum dan pandu gelombang

Model QB didasarkan pada dua sistem dua tingkat (TLS), yaitu sistem yang memiliki dua tingkat energi berbeda. Tingkat energi ini biasanya direpresentasikan sebagai keadaan dasar dan keadaan tereksitasi.

Satu sistem adalah baterai itu sendiri dan yang lainnya adalah pengisi daya. Proses pengisian dan pertukaran energi antara TLS ini memainkan peran penting dalam berfungsinya sistem QB. TLS diperhitungkan dengan membentuk tautan yang koheren dengan TLS lain atau array eksternal.

Dalam konteks QB, kopling koheren adalah interaksi tersinkronisasi dan berkorelasi antara sistem kuantum yang memungkinkan energi ditransfer atau dipertukarkan. Interaksi yang koheren ini rapuh dan menimbulkan dekoherensi ke dalam sistem.

“Tidak ada sistem kuantum yang dapat diisolasi secara mutlak dari lingkungan luarnya, yang pasti akan menyebabkan dekoherensi sistem yang tidak diinginkan,” jelas Prof. Jun-Hong.

Model ini mewujudkan pengisian daya melalui interaksi langsung antara pengisi daya dan QB. Namun hubungan tersebut dipengaruhi oleh jarak antara keduanya sehingga mengakibatkan penurunan efisiensi pengisian daya. Untuk mengatasi masalah ini dan masalah dekoherensi, para peneliti telah memperkenalkan pandu gelombang berongga persegi panjang.

Waveguide adalah struktur yang memandu gelombang, biasanya gelombang elektromagnetik, sepanjang jalur. Ini bertindak sebagai saluran gelombang, membatasinya dan mengarahkannya untuk bergerak secara terkendali.

“Panduan gelombang logam berongga persegi panjang digunakan untuk mengumpulkan dan memandu medan elektromagnetik untuk memediasi transfer energi antara QB dan pengisi daya,” kata Profesor Jun-Hong.

Transfer energi itu sendiri terjadi tanpa kontak langsung antara kedua TLS, yang mewakili pendekatan baru pada proses pengisian QB.

Interaksi terkuantisasi

Model peneliti bergantung pada interaksi terkuantisasi antara medan elektromagnetik dan materi dalam pandu gelombang.

Dalam pandu gelombang, medan elektromagnetik memiliki hubungan dispersi dan struktur celah pita tertentu, yang merupakan parameter yang mempengaruhi perambatan dan interaksinya dalam sistem kuantum.

Awalnya, medan elektromagnetik ini berada dalam ruang hampa, artinya tidak ada foton dalam modenya. Sedangkan QB dalam keadaan dasar dan pengisi daya dalam keadaan tereksitasi.

Pengisi daya mengalami transisi dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar, memancarkan foton dalam medan elektromagnetik. Hal ini menimbulkan eksitasi pada medan elektromagnetik yang mengakibatkan medan tersebut memiliki mode tak terbatas (atau kemungkinan konfigurasi).

Foton kemudian diserap oleh QB, yang bertransisi ke keadaan tereksitasi.

Meskipun mode tak terbatas dalam medan elektromagnetik biasanya akan menyebabkan dekoherensi dalam sistem kuantum, aspek yang mengejutkan adalah para peneliti menemukan bahwa medan mode tak terbatas ini bertindak sebagai lingkungan dan, bertentangan dengan ekspektasi, memfasilitasi pertukaran energi yang koheren dari pengisi daya QB. .

“Pekerjaan kami mengungkap mekanisme untuk memastikan pertukaran energi pengisi daya QB yang koheren melalui peran mediasi medan elektromagnetik mode tak terbatas,” jelas Prof. Jun-Hong.

Mengisi dinamika dan pekerjaan di masa depan

Temuan tak terduga bahwa dekoherensi dalam sistem tidak menyebabkan penuaan QB bertentangan dengan kepercayaan umum. Sebaliknya, para peneliti mencatat bahwa pertukaran energi adalah proses pengisian daya yang optimal—biasanya diharapkan dalam skenario di mana pengisi daya dan QB berinteraksi secara langsung.

Selain itu, skema QB mereka menunjukkan jangkauan yang luas untuk pengisian daya nirkabel, dengan pembentukan dua keadaan terikat dalam spektrum energi sistem secara keseluruhan (QB-charger-environment) memainkan peran penting.

“Pesan dari pekerjaan kami adalah bahwa interkoneksi kuantum pilihan pandu gelombang memberi kita cara yang berguna untuk mengatasi tantangan dalam implementasi praktis QB,” tambah Prof. Jun-Hong.

Hal ini meningkatkan efisiensi QB dan membuka pintu bagi perangkat yang lebih ringan dan tipis dengan kenyamanan lebih besar dan juga unggul dalam daya tahan.

Prof. Jun-Hong juga menekankan bahwa perangkat mereka benar-benar aman dan tidak berbahaya karena medan elektromagnetik selalu terbatas pada pandu gelombang, dan penyimpanan energi bebas elektrokimia QB mendukung penggunaan kembali tanpa henti tanpa pencemaran lingkungan.

Langkah selanjutnya bagi para peneliti adalah menskalakan skema QB mereka.

“Lebih khusus lagi, kami berencana untuk mengembangkan model QB multi-tubuh yang beroperasi berdasarkan prinsip pengisian daya nirkabel jarak jauh. Hal ini memungkinkan kami untuk secara efektif menggabungkan keunggulan keterikatan kuantum ke dalam peningkatan kinerja pengisian daya, kapasitas pengisian daya, dan pekerjaan yang dapat diekstraksi. pengisian daya jarak jauh dan anti -penuaan QB,” pungkas Prof Jun-Hong.

Informasi lebih lanjut:
Wan-Lu Song dkk., Pengisian jarak jauh dan penekanan degradasi untuk baterai kuantum, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.090401. Di arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2308.13784

Kutipan: Para ilmuwan mengusulkan skema baru untuk baterai kuantum menggunakan pandu gelombang (2024, 7 Maret) Diakses pada 7 Maret 2024, dari https://phys.org/news/2024-03-scientists-scheme-quantum-battery-waveguides.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Kecuali untuk tindakan bonafid apa pun untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.