In den letzten Jahren haben einige Forscher an alternativen Energiespeichersystemen gearbeitet, die die Prinzipien der Quantenmechanik nutzen. Diese als Quantenbatterien bezeichneten Systeme könnten effizienter und kompakter als herkömmliche Batterietechnologien sein und gleichzeitig schnellere Ladezeiten erreichen.
In einem aktuellen Artikel veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungstellte eine Forschungsgruppe an der Universität Genua eine neue Spin-Quantenbatterie vor, eine Batterie, die die Spin-Freiheitsgrade von Teilchen nutzt, um Energie zu speichern und freizusetzen. Diese Batterie wird auf einzigartige und vorteilhafte Weise aufgeladen, ohne dass ein externes Feld erforderlich ist.
„Quantenvielteilchentheorie und Nichtgleichgewichtsphysik sind traditionelle Themen in der Quantentheoriegruppe der kondensierten Materie unter der Leitung von Maura Sassetti an der Universität Genua“, sagte Dario Ferraro, leitender Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org.
„In diesem Rahmen konzentriert sich mein Amtskollege Niccolò Traverso Ziani auf die Untersuchung analytisch lösbarer Quantenspinketten, während ich mich mit Quantenbatterien beschäftige – miniaturisierten Geräten, die mithilfe quantenmechanischer Prinzipien Energie speichern können. Wir dachten, dass die Masterarbeit von Riccardo Grazi eine … sein könnte Guter Vorwand, unsere Forschungsinteressen zu bündeln.“
Ferraro und seine Kollegen von der Universität Genua konnten ihre Untersuchung von Spin-Quantenbatterien schließlich auf einen Bereich mit einer sehr großen Anzahl von Elementen ausweiten. Dies ist ein Ziel, das mit gängigen Ansätzen zum Design von Spin-Quantenbatterien bisher nicht zu erreichen war.
„Unsere Quantenbatterie kann als Interkalation zweier Ansammlungen von ½-Spins betrachtet werden, den einfachsten möglichen Quantensystemen“, erklärte Ferraro. „Durch die richtige Veränderung der Wechselwirkung zwischen den Elementen der beiden Ketten, beispielsweise durch Verschiebung eines Elements im Verhältnis zum anderen, wird es möglich, Energie auf stabile Weise in der Quantenbatterie einzufangen.“
Das von Ferraro und seinen Kollegen entwickelte Protokoll bietet verschiedene Vorteile gegenüber bestehenden Spin-Quantenbatterie-Designs. Vor allem ermöglicht es das Laden des Akkus über einen neuen Mechanismus, der nicht auf das Vorhandensein eines externen Feldes angewiesen ist.
„Zu den Hauptergebnissen unserer Arbeit gehört die Erforschung eines alternativen Ladeprotokolls für Spin-Quantenbatterien, das auf der zeitabhängigen Modulation eines systeminternen Parameters basiert, und die Möglichkeit, dieses Protokoll an der Grenze eines sehr großen Spektrums zu untersuchen.“ Anzahl der Elemente, aus denen das Gerät besteht“, sagte Ferraro.
„Wir glauben, dass dies neue und interessante Perspektiven bei der Erforschung von Quantenbatterien eröffnen wird, einschließlich der Möglichkeit, diese mithilfe von Systemen wie neutralen Atomen zu realisieren, die derzeit zu den führenden Plattformen im Wettlauf um Quantencomputer im großen Maßstab gehören.“
Ferraro und ihre Kollegen bewerteten das neue Spin-Quantenbatterie-Design und das Ladeprotokoll in einer Reihe erster Tests. Ihre Ergebnisse waren sehr vielversprechend und unterstrichen die Robustheit der von ihnen vorgeschlagenen Lademethode, die keine große Genauigkeit erfordert, um die Manipulation der Batterie in Echtzeit zu ermöglichen.
In Zukunft könnte diese Studie den Weg für die Entwicklung neuer leistungsstarker und stabiler Festkörper-Quantenbatterien ebnen. In der Zwischenzeit planen Ferraro und seine Kollegen, weiter an ihrem Protokoll zum Laden von Spin-Quantenbatterien zu arbeiten und gleichzeitig deren Anfälligkeit gegenüber anderen Umweltfaktoren zu untersuchen.
„Wir untersuchen derzeit, wie sich Faktoren wie Temperatur und weitreichende Wechselwirkungen auf den Ladevorgang einer großen Klasse von Quantenbatterien auswirken, zu denen auch das Ising-Modell gehört, das bereits am Ende unseres Artikels kurz besprochen wurde“, fügte Ferraro hinzu. „Unser Hauptziel besteht darin, einen allgemeinen Rahmen zu identifizieren, der auf eine Vielzahl von Systemen anwendbar ist, um festzustellen, ob sie geeignete Kandidaten für die Implementierung als Quantenbatterien sind.“
Weitere Informationen:
Riccardo Grazi et al., Steuerung der Energiespeicherung über Quantenphasenübergänge in einer integrierbaren Spin-Quantenbatterie, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.197001. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2402.09169
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