Квантовые батареи могут произвести революцию в хранении энергии благодаря тому, что кажется парадоксом: чем больше батарея, тем быстрее она заряжается. Группа ученых впервые продемонстрировала квантово-механический принцип сверхпоглощения, лежащий в основе квантовых батарей, в испытательном устройстве.

Причудливый мир квантовой физики полон явлений, которые кажутся нам невозможными. Молекулы, например, могут настолько переплестись, что начинают действовать коллективно, и это может привести к целому ряду квантовых эффектов. Это включает в себя сверхпоглощение, которое повышает способность молекулы поглощать свет.

«Сверхпоглощение — это квантовый коллективный эффект, при котором переходы между состояниями молекул конструктивно интерферируют», - сказал Джеймс Куах, автор исследования. «Конструктивная интерференция возникает во всех видах волн (свет, звук, волны на воде) и возникает, когда разные волны складываются, 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.

Сверхпоглощение еще предстоит продемонстрировать в масштабе, достаточном для создания квантовых батарей, но новому исследованию удалось именно это. Чтобы создать тестовое устройство, исследователи поместили активный слой светопоглощающих молекул - красителя, известного как Lumogen-F Orange, - в микрополость между двумя зеркалами.

«Зеркала в микрорезонаторе были изготовлены с использованием стандартного метода изготовления высококачественных зеркал», - пояснил Квач. «Это использование чередующихся слоев диэлектрических материалов - диоксида кремния и пятиокиси ниобия - для создания так называемого «распределенного брэгговского отражателя». Это 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.

В итоге, этот прорыв может проложить путь к практичным квантовым батареям, создающим быстро заряжающиеся электромобили или системы хранения энергии, которые могут справляться со всплесками энергии из возобновляемых источников.