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Estudios teóricos recientes en la Universidad de Monash nos acercan un paso más a las baterías cuánticas realistas.
Dicha tecnología dependería de la diferencia de energía ofrecida por diferentes estados cuánticos, en lugar de cambios electroquímicos, como es el caso de las baterías tradicionales.
Las baterías cuánticas también ofrecen potencial para una eficiencia termodinámica mucho mejor, y tiempo de carga ultrarrápido.
El estudio, que fue codirigido por Meera Parish de FLEET y Jesper Levinsen expandió la investigación anterior a individuos, baterías cuánticas aisladas para considerar una más realista, sistema de muchos cuerpos con interacciones intrínsecas. Los investigadores demostraron que las baterías cuánticas que interactúan se cargan más rápido que las baterías aisladas.
Construyendo mejores baterías (cuánticas)
Con la proliferación de la informática móvil surge una demanda correspondiente de cada vez más eficientes, baterías de carga cada vez más rápida.
Las baterías cuánticas presentan un futuro posible, con entrelazamiento cuántico (la famosa "acción espeluznante a distancia" de Einstein), ofreciendo un potencial de rendimiento que supera con creces la tecnología clásica.
La clave de cualquier batería es la diferencia entre su estado cargado y descargado. En baterías electroquímicas como el paquete de iones de litio de un iPhone, esto representa una diferencia en la carga electrónica almacenada. En el esquema hidroeléctrico impulsado por Snowy River, es la diferencia entre el agua almacenada en altitudes más altas o más bajas. En cualquier caso, que la energía almacenada está disponible para ser utilizada en el trabajo.
Sin embargo, las baterías clásicas como estos ejemplos operan a solo una pequeña fracción de los límites termodinámicos teóricos.
En una batería cuántica, tal diferencia dependería del entrelazamiento cuántico:el vínculo cuántico entre partículas con formas de onda cuánticas idénticas. Un par de baterías cuánticas entrelazadas funcionan mucho mejor que una sola, de hecho, en teoría, el rendimiento de un número suficientemente grande de baterías cuánticas entrelazadas podría acercarse al 100 por ciento del límite termodinámico.
Tres paradigmas de carga diferentes. Crédito:FLOTA
El aumento de potencia de una batería cuántica mejorada por entrelazamiento teóricamente permite que las baterías cuánticas se carguen mucho más rápido que sus contrapartes clásicas.
Investigaciones anteriores sobre baterías cuánticas han asumido que son discretas, sistemas cuánticos independientes que se basan en sistemas interacciones de muchos cuerpos para lograr una ventaja cuántica en la potencia de carga.
En cambio, el reciente estudio de Monash consideró baterías cuánticas más realistas, con interacciones intrínsecas de muchos cuerpos.
Se descubrió que las cadenas de espín cuántico son una plataforma prometedora para las baterías cuánticas. Las cadenas de espín consisten en una serie de espines dispuestos en una línea unidimensional y han servido como un modelo importante y fructífero para sistemas más complicados desde los primeros días de la física cuántica.
Los investigadores encontraron que tales baterías cuánticas, vinculados a través de interacciones spin-spin se cargan más rápido que sus contrapartes que no interactúan.
Curiosamente, Los investigadores también descubrieron que esta ventaja de carga no se debía a correlaciones (cuánticas ni clásicas), como ha sido el caso en trabajos anteriores, sino que se debió al efecto de campo medio de las interacciones entre los espines.
Además, en el estudio de Monash, las baterías fueron cargadas por campos locales, en lugar de la carga colectiva habitual.
El trabajo también muestra cómo se puede construir la estructura energética de las baterías cuánticas para proporcionar una carga ultrarrápida.
Este trabajo demuestra la fusión de sistemas realistas de materia condensada con termodinámica cuántica, culminando en baterías cuánticas de muchos cuerpos potencialmente realizables.
También fue la primera vez que se asumió que la carga de las baterías se realizaba mediante campos aplicados localmente, en lugar de la carga colectiva habitual.
Gire cadenas en gas atómico ultrafrío. Crédito:FLOTA
El estudio, Modelo de cadena de espín de una batería cuántica de muchos cuerpos, fue codirigido por Thao P. Le y publicado en Revisión física A en febrero de 2018.
Física del desequilibrio y FLOTA
El forzamiento de una batería cuántica en una nueva, estado cargado representa un ejemplo de física de no equilibrio, en el que los sistemas se ven forzados a salir del equilibrio a un estado temporal.
Es relativamente nuevo, y apasionante campo, y un cambio de paradigma en la ingeniería de materiales.
En FLEET, Los investigadores en el tema de investigación 3 del Centro persiguen mecanismos de no equilibrio, materiales transformados por luz, con el objetivo de lograr caminos de resistencia cero para la corriente eléctrica, como parte de la misión del Centro de desarrollar una nueva generación de electrónica de energía ultrabaja.
Por ejemplo, pequeño, intensas ráfagas de luz se pueden utilizar para forzar temporalmente a la materia a adoptar una nueva, estado topológico distinto o cambiar a un estado superfluido.
El estado forzado alcanzado es solo temporal, pero los investigadores aprenden mucho sobre la física fundamental de los aislantes topológicos y los superfluidos a medida que observan el cambio de material entre los estados natural y forzado, durante un período de varios microsegundos.
La investigación de Meera Parish y Jesper Levinsen dentro del tema de investigación 3 de FLEET busca la comprensión y el control de las interacciones entre partículas en la materia cuántica, incluso:
FLEET es un centro de investigación financiado por el Australian Research Council que reúne a más de cien expertos australianos e internacionales para desarrollar una nueva generación de electrónica de energía ultrabaja.
El grupo Theory of Quantum Matter está anunciando actualmente un doctorado. posición, estudiando la física de los gases atómicos ultrafríos.
