Ученые предлагают новую схему квантовой батареи с использованием волноводов

Прочитано: 37 раз(а)


Новое исследование, проведенное исследователями из Университета Ланьчжоу и Университета Хубэй, предлагает схему зарядки квантовой батареи (QB) на основе прямоугольного полого металлического волновода. Этот подход позволяет им преодолеть вызванную окружающей средой декогерентность и ограничения на расстояние зарядки. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Спрос и предложение на аккумуляторы продолжают расти, при этом основное внимание уделяется увеличению срока службы, увеличению срока службы и возможностям зарядки. На этом фронте ученые сейчас разрабатывают квантовые батареи, которые используют принципы квантовой механики для хранения и подачи энергии.

Цель состоит в том, чтобы использовать фундаментальные принципы квантовой механики, такие как запутанность и когерентность, для преодоления ограничений классической физики, тем самым достигая более высокой мощности зарядки, более высокой зарядной емкости и большего извлечения работы по сравнению с классическими аналогами.

В новом исследовании QB исследуется путем размещения аккумулятора и зарядного устройства в прямоугольном полом волноводе. Этот метод направлен на смягчение эффектов декогеренции для достижения долгосрочной и эффективной производительности QB.

Говоря о мотивации команды к исследованию квантовых батарей, ведущий автор исследования профессор Цзюнь-Хонг Ань из Университета Ланьчжоу, Китай, рассказал Phys.org: «Проблемы декогеренции вызывают спонтанную потерю энергии QB, которая называется старением. из QB».

«Другой проблемой для практической работы QB является его низкая эффективность зарядки, возникающая из-за хрупкости последовательного взаимодействия между QB и его зарядным устройством. Мы хотели преодолеть эти проблемы».

Квантовая батарея и волноводы

Модель QB основана на двух двухуровневых системах (TLS), которые представляют собой системы, имеющие два различных энергетических уровня. Эти уровни энергии обычно представляются как основное состояние и возбужденное состояние.

Одна система — это сам аккумулятор, а другая — зарядное устройство. Процессы зарядки и обмена энергией между этими TLS играют ключевую роль в функционировании системы QB. TLS заряжаются путем установления когерентной связи с другими TLS или внешними полями.

В контексте QB когерентная связь — это синхронизированное и коррелированное взаимодействие между этими квантовыми системами, позволяющее передавать или обмениваться энергией. Эти когерентные взаимодействия хрупкие и приводят к декогерентности в этих системах.

«Любая квантовая система не может быть абсолютно изолирована от своего внешнего окружения, что неизбежно приводит к нежелательной декогерентности системы», — объяснил профессор Джун-Хонг.

Эти модели реализуют зарядку посредством прямого взаимодействия зарядного устройства и QB. Однако на это соотношение влияет расстояние между ними, что приводит к снижению эффективности зарядки. Чтобы преодолеть эту проблему и проблему декогеренции, исследователи внедрили прямоугольные полые волноводы.

Волновод — это конструкция, которая направляет волны, обычно электромагнитные волны, по определенному пути. Он действует как проводник для волн, удерживая и направляя их движение контролируемым образом.

«Прямоугольный полый металлический волновод используется для сбора и направления электромагнитного поля, обеспечивая передачу энергии между QB и зарядным устройством», — сказал профессор Джун-Хонг.

Сама передача энергии происходит без прямого контакта между двумя TLS, что представляет собой новый подход к процессу зарядки QB.

Квантовые взаимодействия

Модель исследователей основана на квантованном взаимодействии между электромагнитным полем и веществом внутри волновода.

В пределах волновода электромагнитное поле обладает специфическими дисперсионными соотношениями и структурами запрещенной зоны, которые являются параметрами, влияющими на его распространение и взаимодействие внутри квантовой системы.

Первоначально это электромагнитное поле находится в состоянии вакуума, то есть в его модах нет фотонов. При этом QB находится в основном состоянии, а зарядное — в возбужденном.

Зарядное устройство претерпевает переход из возбужденного состояния в основное состояние , испуская фотон в электромагнитном поле. Это приводит к возбуждению электромагнитного поля, приводящему к тому, что поле имеет бесконечные моды (или возможные конфигурации).

Фотон впоследствии поглощается QB, который переходит в возбужденное состояние.

Хотя наличие бесконечных мод в электромагнитном поле обычно вызывает декогерентность в квантовой системе, удивительным аспектом является то, что исследователи обнаружили, что это поле с бесконечными модами действует как окружающая среда и, вопреки ожиданиям, способствует когерентному обмену энергией QB-зарядника.

«Наша работа раскрывает механизм, обеспечивающий когерентный обмен энергией QB-зарядного устройства благодаря посреднической роли электромагнитного поля бесконечной моды», — объяснил профессор Джун-Хонг.

Динамика зарядки и дальнейшая работа

Неожиданный вывод о том, что декогерентность в системе не приводит к старению QB, противоречит распространенному мнению. Вместо этого исследователи отмечают, что обмен энергией является оптимальным процессом зарядки, который обычно ожидается в сценариях, когда зарядное устройство и QB напрямую взаимодействуют.

Кроме того, их схема QB показала большой радиус действия для беспроводной зарядки, при этом формирование двух связанных состояний в энергетическом спектре всей системы (QB-зарядное устройство-окружающая среда) играет решающую роль.

«Изюминка нашей работы заключается в том, что квантовые соединения, предпочитаемые волноводом, предоставляют нам полезный способ преодолеть проблемы практической реализации QB», — добавил профессор Джун-Хонг.

Это повышает эффективность QB и открывает возможности для создания более легких и тонких устройств с большей легкостью, которые также отличаются своей долговечностью.

Профессор Джун-Хонг также подчеркнул, что их устройство полностью безопасно и безвредно, поскольку электромагнитное поле всегда ограничено внутри волновода, а хранилище энергии QB , свободное от электрохимических реакций, обеспечивает возможность многократного использования без загрязнения окружающей среды.

Следующим шагом для исследователей является масштабирование их схемы QB.

«Более конкретно, мы планируем разработать QB-модель многих тел, работающую по принципу удаленной беспроводной зарядки. Это может позволить нам эффективно использовать превосходство квантовой запутанности в увеличении зарядной мощности, зарядной емкости и извлекаемой работы дистанционная зарядка и борьба со старением QB», — заключил профессор Цзюнь-Хонг.

Ученые предлагают новую схему квантовой батареи с использованием волноводов



Новости партнеров