科学家在概念装置中验证了可实现量子电池的物理学原理

量子电池有朝一日将可以通过一个看似矛盾的东西彻底改变能源储存--电池越大,充电越快。现在,一个科学家团队首次在一个概念验证装置中展示了支撑量子电池的超吸收量子力学原理。古怪的量子物理学世界充满了在我们看来不可能的现象。

比如分子可以变得非常纠缠在,以至于它们开始集体行动,而这可以导致一系列的量子效应,包括超级吸收--它提高可以分子吸收光线的能力。

“超强吸收是一种量子集体效应,分子状态之间的转换会产生建设性的干扰,”这项研究的论文通讯作者James Quach告诉New Atlas,“"建设性干涉发生在所有种类的波(光、声、水面上的波)中,当不同的波加起来比任何一个波本身的效果都要大时就会发生。至关重要的是,这允许组合分子比每个分子单独行动时更有效地吸收光线。”

在一个量子电池中,这种现象将有一个非常明显的好处。你拥有的储能分子越多,它们就能更有效地吸收能量--换言之,你把电池做得越大它的充电就越快。

至少,理论上应该是这样的。超强吸收尚未在足够大的规模上被证明可以建造量子电池,但新研究现在已经做到了这一点。为了建立测试装置,研究人员将一个活性光吸收分子层--一种被称为Lumogen-F Orange的染料--放在两个镜子之间的微腔中。

科学家在概念装置中验证了可实现量子电池的物理学原理

“这个微腔中的镜子是用制造高质量镜子的标准方法制造的,”Quach解释道,“这就是使用交替的电介质材料层--二氧化硅和五氧化二铌--来创建所谓的‘分布式布拉格反射器’。这产生的镜子比典型的金属/玻璃镜子反射更多的光。这很重要,因为我们想让光尽可能长时间地停留在空腔内。”

然后,该团队使用超快瞬时吸收光谱来测量染料分子是如何储存能量的以及整个设备充电的速度。果然,随着微腔的大小和分子数量的增加,充电时间减少并证明了超强吸收的作用。

最终,这一突破可能为实用的量子电池铺平道路,这使之成为快速充电的电动汽车或能够处理来自可再生资源的突发能量的储能系统。但当然,这项研究仍处于非常早期的阶段。

Quach告诉New Atlas:“这里的想法是一个原则性的证明,即在这样的设备中增强对光的吸收是可能的。然而,关键的挑战是弥合这里的小型设备的原理证明跟在更大的可用设备中利用同样的想法之间的差距。下一步就是探索如何将其跟其他储存和传输能量的方式结合起来,从而提供一个可以实际使用的设备。”

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投稿时间:2022-01-17  最后更新:2022-04-29

标签:量子   布拉格   电池   建设性   物理学   染料   反射   科学家   能量   装置   镜子   分子   原理   概念   设备

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