Итак, в минувшую пятницу учёные из университетов Альберты (это одна из 10 провинций Канады) и Торонто (выпустил 9 Нобелевских лауреатов) поведали миру о своём новом проекте «квантовой батареи». Пока под словом «проект» они подразумевают лишь идею, зато очень амбициозную. По замыслу, творение разработчиков никогда не будет разряжаться. Ещё не всё научное сообщество переварило эту новость, но кое-какие замечания и идеи уже появились.
Прежде всего, серьезные учёные стараются не называть потенциальное изобретение ни аккумулятором, ни батарейкой. Куда чаще используют термин «источник энергии». В повседневной жизни мы, кстати, часто путаем эти понятия. Всё потому, что и перезаряжаемый, и неперезаряжаемый источник тока может быть батарейкой. А вот если несколько аккумуляторов соединить для увеличения напряжения или силы тока — тогда мы получим батарею. Называть так одиночные элементы вроде повседневных «пальчиковых» — неправильно. Тут речь про «химический топливный элемент».
Собственно, батареи, питающие большинство наших телефонов и других многочисленных устройств, основаны на классических электрохимических принципах, а информационный шум, который вызвала новость из Канады, связан с тем, что там замахнулись на квантовую механику.
«В оригинальной научной статье проводится квантовомеханический расчет цепи из нескольких связанных кубитов. В ней образуются так называемые «темные состояния» — коллективные состояния системы кубитов, которые обладают особой симметрией и поэтому живут очень долго по сравнению с отдельными кубитами. Утверждается, что в определенной конфигурации этот эффект можно использовать для создания устройства, подобного элементу питания.
В целом, рассмотренная концепция долгоживущих темных состояний давно известна, хорошо изучена в рамках квантовой оптики и больше обсуждается в контексте создания эффективной квантовой памяти, нежели в контексте основы для создания автономного квантового источника энергии. Однако на практике подобные системы из нескольких кубитов чрезвычайно трудно контролировать и особенно трудно получать коллективные состояния, подобные тёмным».
Алексей Дмитриев,
научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ
На всякий случай, кубит — это квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Но и с переходом от химии к квантовой механике всё тоже оказалось не так просто. Атомные источники энергии — это тоже квантово-механические системы. И даже когда мы сжигаем бензин, происходит химическая реакция, а энергия выделяется благодаря возникновению новых химических связей, то есть квантовым переходам. Современные аккумуляторы также заставляют атомы быстрее шевелиться при зарядке, и, давая им возможность перейти в другое энергетическое состояние, выдают ток. А в Канаде задумались о принципиально новом виде аккумулирования энергии, вообще без потерь, чтобы сжигать, подогревать и подзаряжать было не нужно.
«Авторы рассмотрели не химическую структуру, а некое наноструктурированное твердое состояние вещества в котором электроны, поглощая фотоны, переходят в новое квазистабильное состояние, в котором могут оставаться вечно. Примером такого явления может быть обычная люминесценция, когда, например, стрелки часов или пластмассовые фигурки долго светятся в темноте после выключения света.
Предложенная концепция вполне реальна и уже была неоднократно реализована в разного типа датчиках ионизирующих излучений. Это приборы, которые помнят, сколько рентген они схватили, находясь на теле человека и могут об этом рассказать, испуская электроны или светясь при простом нагреве. В данном случае авторы замахнулись на создание источников с существенной запасённой удельной энергией и в этом благом деле можно им пожелать только успехов.
Искусственные атомы и экситоны обычно намного больше обычных атомов и пока непонятно, будут ли такие аккумуляторы миниатюрны. Создание больших массивов и связанных наносетей вполне решаемая задача. Главный вопрос здесь другой – зачем нам аккумулятор, который заряжается солнечным светом, а разряжается, излучая лунный…»
Владимир Решетов, профессор НИЯУ МИФИ
В общем, с точки зрения теории, работа канадцев вполне имеет право на существование, но обманываться по поводу создания таких батарей в ближайшее время не стоит — это всего лишь концепция. Как воплотить её в реальность, учёные ещё не придумали. В этом смысле Институт физической химии и электрохимии Фрумкина намного ближе к перевороту в мире аккумуляторов. Подробнее об этом ЗДЕСЬ.
Ничего не понятно, но интересно