Вечна батерия? Почти. Диамант взе енергията за заложник без шанс за бягство

Учени от Китай представиха обещаваща концепция за квантова батерия, способна да съхранява натрупаната енергия за много по-дълго време от всички предложени досега аналози. В основата на новата архитектура е добре изучен дефект в диамантената решетка – NV-център. Изследователите са установили, че този елемент не само е в състояние ефективно да съхранява енергия, но също така е в състояние да потиска нейното изтичане без помощта на външни източници.

Авторите смятат, че предложеното решение ще помогне да се преодолее един от основните проблеми на квантовите устройства за съхранение на енергия – загубата на енергия поради декохерентност.

Квантовите батерии се разглеждат като потенциална алтернатива на класическите системи за съхранение на енергия, тъй като ефектите на суперпозиция и заплитане им позволяват да се зареждат по-бързо и теоретично да осигуряват по-висок добив на енергия. В реални условия обаче тяхната ефективност е ограничена: квантовите състояния са изключително нестабилни и бързо се разрушават при контакт с външната среда, което води до спонтанно разреждане дори без свързване на товара.

Авторите на новата статия от Университета Хубей, Китайската академия на науките и Университета Ланджоу предлагат елегантно решение на този проблем. Като активен елемент те са използвали спина на електрона в NV-центъра, който представлява двойка – азотен атом, заместващ въглеродния атом в кристалната решетка, и съседна вакантност. Тази структура има стабилни спинови свойства, които се запазват при стайна температура, което я прави подходяща за практически приложения.

Основното предимство на новата схема е, че няма нужда от отделно квантово зарядно устройство.

Преди това потискането на саморазряда изискваше създаване на заплитане между батерията и източника на енергия, което намалява т.нар. ерготропия – максималната възможна полезна работа, която може да се извлече от системата. Новият модел заобикаля това ограничение, като използва вътрешните взаимодействия на самата клетка.

Ключовият елемент тук е хиперфиното взаимодействие между спина на електрона от NV-центъра и спина на ядрото на азотния атом. То позволява да се контролира разпределението на енергията вътре в системата, като се подчертава в кохерентната част, която се губи много по-бавно. Чрез оптимизиране на съотношението между кохерентната енергия и общата ерготропия учените постигат значително увеличаване на времето за съхранение, без да се прави компромис с изходната мощност.

Според професор Джун-Хонг Ан, един от авторите на изследването, квантовите батерии са изправени пред две основни пречки: влошаваща се ефективност на зареждане и загуба на енергия поради взаимодействието с външната среда. Неговият екип вече е предложил метод за безжично зареждане, за да удължи живота на устройството. Новата работа показва, че проблемът с изтичането на енергия може да бъде решен чрез вътрешните свойства на самата акумулаторна клетка – без външна корекция или допълнителна логика.

Платформата, базирана на NV-центрове вече се използва широко в квантовите сензори и изчисления поради своята надеждност и устойчивост на фонов шум. Сега тя може да получи втори живот като основа за енергийно ефективни устройства за съхранение. Новото изследване разкрива потенциала на NV дефекта в още една област и показва как квантовата физика може да революционизира принципите на съхранение на енергия.

Следващата стъпка е да се провери експериментално стабилността на батерията при външни шумове и да се намерят начини за мащабиране на технологията за практическа употреба.