Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Lanzhou y la Universidad de Hubei propone un esquema de carga de batería cuántica (QB) basado en una guía de ondas de metal hueca rectangular. Este enfoque les permite superar la decoherencia inducida por el entorno y las limitaciones de distancia de carga. Los hallazgos se publican en Physical Review Letters. .
La demanda y la oferta de baterías continúan creciendo con un enfoque en mejorar el almacenamiento de energía, la longevidad y las capacidades de carga. En este frente, los científicos están desarrollando baterías cuánticas que aprovechan los principios de la mecánica cuántica para almacenar y suministrar energía.
El objetivo es utilizar principios fundamentales de la mecánica cuántica, como el entrelazamiento y la coherencia, para superar las limitaciones de la física clásica, logrando así una mayor potencia de carga, una mayor capacidad de carga y una mayor extracción de trabajo en comparación con sus homólogos clásicos.
El nuevo estudio explora el QB colocando la batería y el cargador en una guía de ondas hueca rectangular. Este método tiene como objetivo mitigar los efectos de la decoherencia para lograr un rendimiento QB eficiente y duradero.
Hablando de la motivación del equipo para explorar baterías cuánticas, el autor principal del estudio, el profesor Jun-Hong An de la Universidad de Lanzhou, China, dijo a Phys.org:"Los desafíos de decoherencia provocan la pérdida espontánea de energía de QB, lo que se denomina envejecimiento". de QB."
"El otro desafío para el rendimiento práctico del QB es su baja eficiencia de carga resultante de la fragilidad de las interacciones coherentes entre el QB y su cargador. Queríamos superar estos desafíos".
El modelo QB se basa en dos sistemas de dos niveles (TLS), que son sistemas que tienen dos niveles de energía distintos. Estos niveles de energía generalmente se representan como un estado fundamental y un estado excitado.
Un sistema es la propia batería y el otro es el cargador. Los procesos de carga y de intercambio de energía entre estos TLS juegan un papel clave en el funcionamiento del sistema QB. Los TLS se cobran estableciendo un acoplamiento coherente con otros TLS o campos externos.
En el contexto de los QB, el acoplamiento coherente es una interacción sincronizada y correlacionada entre estos sistemas cuánticos, que permite la transferencia o el intercambio de energía. Estas interacciones coherentes son frágiles e introducen decoherencia en estos sistemas.
"Ningún sistema cuántico no puede aislarse absolutamente de su entorno exterior, lo que inevitablemente induce una decoherencia no deseada en el sistema", explicó el profesor Jun-Hong.
Estos modelos realizan la carga mediante la interacción directa entre cargador y QB. Sin embargo, esta relación se ve afectada por la distancia entre los dos, lo que resulta en una disminución en la eficiencia de carga. Para superar esto y el problema de la decoherencia, los investigadores introdujeron guías de ondas huecas rectangulares.
Una guía de ondas es una estructura que guía ondas, normalmente ondas electromagnéticas, a lo largo de un camino específico. Actúa como un conducto para las ondas, confinándolas y dirigiéndolas para que viajen de forma controlada.
"La guía de ondas de metal hueco rectangular se utiliza para recoger y guiar el campo electromagnético para mediar en la transferencia de energía entre el QB y el cargador", dijo el profesor Jun-Hong.
La transferencia de energía en sí se produce sin contacto directo entre los dos TLS, lo que introduce un enfoque novedoso en el proceso de carga QB.
El modelo de los investigadores depende de la interacción cuantificada entre el campo electromagnético y la materia dentro de una guía de ondas.
Dentro de los límites de la guía de ondas, el campo electromagnético posee relaciones de dispersión específicas y estructuras de banda prohibida, que son parámetros que influyen en su propagación e interacciones dentro del sistema cuántico.
Inicialmente, este campo electromagnético se encuentra en un estado de vacío, lo que significa que no hay fotones en sus modos. Mientras tanto, el QB está en su estado fundamental y el cargador está en un estado excitado.
El cargador pasa de un estado excitado al estado fundamental, emitiendo un fotón en el campo electromagnético. Esto introduce una excitación en el campo electromagnético que hace que el campo tenga infinitos modos (o posibles configuraciones).
Posteriormente, el fotón es absorbido por el QB, que pasa a un estado excitado.
Aunque tener modos infinitos en el campo electromagnético normalmente induciría decoherencia en el sistema cuántico, el aspecto sorprendente es que los investigadores descubrieron que este campo de modo infinito actúa como un entorno y, contrariamente a lo esperado, facilita el intercambio coherente de energía entre el cargador QB. P>
"Nuestro trabajo revela un mecanismo para lograr que se produzca un intercambio de energía coherente entre el cargador QB mediante la función de mediación del campo electromagnético de modo infinito", explicó el profesor Jun-Hong.
El inesperado hallazgo de que la decoherencia en el sistema no conduce al envejecimiento del QB contradice la creencia popular. En cambio, los investigadores señalan que el intercambio de energía es un proceso de carga óptimo, que normalmente se espera en escenarios donde el cargador y el QB interactúan directamente.
Además, su esquema QB mostró un largo alcance para la carga inalámbrica, con la formación de dos estados ligados en el espectro de energía de todos los sistemas (QB-cargador-entorno) desempeñando un papel crucial.
"Una moraleja de nuestro trabajo es que las interconexiones cuánticas favorecidas por la guía de ondas nos proporcionan una forma útil de superar los desafíos en la realización práctica de QB", añadió el profesor Jun-Hong.
Esto mejora la efectividad de QB y abre la puerta a la posibilidad de dispositivos más ligeros, delgados y con mayor facilidad, que también destacan por su durabilidad.
El profesor Jun-Hong también destacó que su dispositivo era completamente seguro e inofensivo ya que el campo electromagnético siempre está confinado dentro de la guía de ondas y el almacenamiento de energía del QB, libre de reacciones electroquímicas, promueve una reutilización infinita sin contaminación ambiental.
El siguiente paso para los investigadores es ampliar su esquema QB.
"Más específicamente, planeamos desarrollar un modelo QB de muchos cuerpos que funcione a modo de carga inalámbrica remota. Esto podría permitirnos incorporar de manera eficiente la superioridad del entrelazamiento cuántico para mejorar la potencia de carga, la capacidad de carga y el trabajo extraíble de un QB antienvejecimiento y carga remota", concluyó el profesor Jun-Hong.
Más información: Wan-Lu Song et al, Carga remota y supresión de la degradación de la batería cuántica, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.090401. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.13784
Información de la revista: Cartas de revisión física , arXiv
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