Ruđerovci razvili novi pristup kvantnim baterijama

Međunarodni istraživački tim, predvođen znanstvenicima s Instituta Ruđer Bošković (IRB), razvio je novi pristup kvantnim baterijama, naprednim uređajima za pohranu energije koji se oslanjaju na principe kvantne fizike, kako bi omogućili učinkovitiju pohranu i oslobađanje energije.

U istraživanju je sudjelovao međunarodni tim fizičara iz Hrvatske, Francuske i Italije, koji su u novom radu predstavili poboljšani dizajn za sprječavanje gubitka energije. Ovime je otvoren put prema prvom eksperimentalnom ciklusu rada baterije namijenjene napajanju tehnologija poput kvantnih računala, kvantnih simulatora i kvantnih senzora.

Istraživanje, koje je vodio Alberto Giuseppe Catalano, doktorand na IRB-u i Sveučilištu u Strasbourgu, pod mentorstvom dr. sc. Fabija Franchinija i dr. sc. Salvatorea Marca Giampaola s IRB-a, u suradnji s dr. sc. Oliverom Morschom (Nacionalno istraživačko vijeće Italije) i dr. sc. Vittoriom Giovannettijem (NEST Pisa, Italija), objavljeno je u prestižnom časopisu PRX Quantum - Physical Review Journals te se fokusira na fenomen "frustriranih" kvantnih baterija.

"Naš fokus je na jednom od najmodernijih područja kvantne tehnologije - kvantnim baterijama. Poput običnih baterija, one pohranjuju i oslobađaju energiju, ali umjesto da se oslanjaju na gibanje elektrona pod djelovanjem elektromagnetskih sila, koriste principe kvantne mehanike. Zbog toga imaju potencijal znatno nadmašiti tradicionalne baterije, posebno u pogledu performansi kao što su kapacitet pohrane energije i brzina punjenja koje ovise o veličini baterije", objasnio je dr. Fabio Franchini, autor i viši znanstveni suradniku Grupi za kondenziranu tvar i statističku fiziku na IRB-u.

"Tehnologija kvantnih baterija još uvijek je u ranoj fazi razvoja. U tom kontekstu, naš rad pokazuje kako je moguće pretvoriti izazove koje postavljaju zakoni kvantne mehanike u resurse koji mogu otkriti nove putove prema inače nedostižnim ciljevima”, izjavio je dr. Salvatore Marco Giampaolo, autor na radu te viši znanstveni suradnik na IRB-a.

"Naše istraživanje usredotočilo se na sposobnost kvantnih baterija da sačuvaju energiju nakon punjenja, što predstavlja značajan napredak u upravljanju kvantnom energijom," istaknuo je doktorand Alberto Giuseppe Catalano, prvi autor na radu. "Iskoristili smo kvantnu interakciju između čestica kako bismo značajno unaprijedili učinkovitost baterije. Posebno smo osmislili novi, jednostavan i učinkovit način punjenja baterije te dokazali da naš dizajn učinkovito sprječava gubitak energije u okolinu, što je čest problem kod kvantnih sustava."

Dizajn kvantne baterije: osnovni koncepti

U srži svake tehnologije, bilo da se radi o vjetrenjačama, parnim strojevima, nuklearnim podmornicama ili električnim automobilima, nalazi se potreba za pohranom i prijenosom energije. Nalazimo se na pragu druge kvantne revolucije, koja obećava iskoristiti neobičnosti kvantne mehanike kako bi omogućila skok u razvoju novih tehnologija. U tom kontekstu, ključno je razumjeti kako najbolje napajati te nove uređaje, a kvantne baterije predstavljaju konkretno rješenje za ovaj izazov jer funkcioniraju na kvantnoj razini.

U središtu ovog istraživanja nalazi se koncept kvantnog spinskog lanca. U takvom sustavu, magnetske komponente čestica, zvane spinovi, raspoređene su u krug. Ti spinovi međusobno interagiraju, omogućujući sustavu da unutar sebe raspodjeli energiju. Manipuliranjem spinova moguće je pohraniti i prenositi energiju, slično kao i kod obične baterije.

Kako bi "napunili" bateriju, znanstvenici su iskoristili postupak nazvan kvantni skok, koji podrazumijeva naglu promjenu vanjskog magnetskog polja. Ova promjena izbacuje sustav iz ravnoteže, što dovodi do upumpavanja energije u lanac, čak i nakon što se magnetsko polje vrati na početno stanje.

Jedan od najvećih izazova kod kvantnih baterija je upravljanje dekoherencijom, budući da neizbježne interakcije sa okolinom uzrokuju gubitak energije iz sustava. Znanstvenici su u tom slučaju mjerili performanse baterije koristeći koncept ergotropije, koji se odnosi na maksimalnu količinu korisne energije koju sustav može pružiti. Što je ergotropija viša, baterija učinkovitije isporučuje iskoristivu energiju.

Ali što uopće znači da su baterije "frustrirane"?

Jedno od ključnih otkrića u istraživanju odnosi se na fenomen poznat kao topološka frustracija. U fizici, baš kao i u životu, sustav je "frustriran" kada ne može postići sve što želi. U ovom slučaju, kvantna baterija teži tome da svi susjedni spinovi budu usmjereni u suprotnim smjerovima, no kada se radi o zatvorenom lancu s neparnim brojem spinova, to je nemoguće. Tako dolazi do topološke frustracije. Istraživački tim je otkrio da ta frustracija zapravo povećava učinkovitost baterije. U kvantnim sustavima, "frustracija" nije nepoželjna, naprotiv, ona čini bateriju prilagodljivijom, otpornijom na gubitak energije te stabilnijom i učinkovitijom u cjelini.

Znanstvenici su, također, istraživali kako kvantna baterija oslobađa pohranjenu energiju. Otkrili su da samo "frustrirana" konfiguracija spinova može prenijeti energiju kao korisni rad, a ne samo kao toplinu. Ta sposobnost učinkovitog oslobađanja energije ključna je za praktičnu primjenu kvantnih baterija.

Korak po korak prema primjeni

Jedan od najzanimljivijih aspekata ovog istraživanja je njegov potencijal za primjenu u stvarnim uvjetima. Autori sugeriraju da bi kvantna baterija mogla biti realizirana korištenjem Rydbergovih atoma, koji su već predmet istraživanja zbog svojih kvantnih svojstava. Tako dizajn baterije dolazi na korak bliže eksperimentalnoj provjeri i budućoj primjeni u naprednim tehnologijama.

"Kako napredujemo u razvoju tehnologija poput kvantnih računala, koja traže precizno i učinkovito upravljanje energijom, ključno je pronaći pouzdane načine za pohranu i prijenos energije na kvantnoj razini. Naš rad postavlja temelje za buduću primjenu kvantnih baterija u tim naprednim sustavima," zaključio je dr. sc. Fabio Franchini.

Glavnina ovog rada provedena je na IRB-u, a prihvaćanje studije za objavu u prestižnom časopisu PRX Quantum potvrđuje spremnost hrvatskog sustava da odgovori na izazove i prilike nadolazeće kvantne revolucije. Istraživanje je primarno financirano kroz europsku Marie-Curie stipendiju.