Au cours des dernières années, certains chercheurs ont travaillé sur des systèmes alternatifs de stockage d’énergie exploitant les principes de la mécanique quantique. Ces systèmes, appelés batteries quantiques, pourraient être plus efficaces et plus compacts que les technologies de batteries conventionnelles, tout en permettant des temps de charge plus rapides.
Dans un article récent publié dans Lettres d’examen physiqueun groupe de recherche de l’Université de Gênes a présenté une nouvelle batterie quantique de spin, une batterie qui exploite les degrés de liberté de spin des particules pour stocker et libérer de l’énergie. Cette batterie se charge d’une manière unique et avantageuse, sans avoir besoin d’un champ externe.
« La théorie quantique à N corps et la physique hors équilibre sont des sujets traditionnels du groupe de théorie quantique de la matière condensée dirigé par Maura Sassetti de l’Université de Gênes », a déclaré Dario Ferraro, auteur principal de l’article, à Phys.org.
« Dans ce cadre, mon collègue Niccolò Traverso Ziani se concentre sur l’étude des chaînes de spin quantiques résolubles analytiquement, tandis que j’étudie les batteries quantiques, des dispositifs miniaturisés capables de stocker de l’énergie en exploitant les principes de la mécanique quantique. Nous avons pensé que le mémoire de maîtrise de Riccardo Grazi pourrait être un bonne excuse pour combiner nos intérêts de recherche.
Ferraro et ses collègues de l’Université de Gênes ont finalement pu étendre leurs recherches sur les batteries quantiques de spin à un régime comportant un très grand nombre d’éléments. Il s’agit d’un objectif qui était jusqu’à présent impossible à atteindre en utilisant des approches communes pour concevoir des batteries quantiques à spin.
« Notre batterie quantique peut être considérée comme l’intercalation de deux ensembles de demi-spins, les systèmes quantiques les plus simples possibles », a expliqué Ferraro. « En modifiant correctement l’interaction entre les éléments des deux chaînes, par exemple en décalant l’un par rapport à l’autre, il devient possible de piéger l’énergie dans la batterie quantique de manière stable. »
Le protocole développé par Ferraro et ses collègues présente divers avantages par rapport aux conceptions existantes de batteries quantiques à spin. Il permet notamment de charger leur batterie via un nouveau mécanisme qui ne repose pas sur la présence d’un champ externe.
« Les principaux résultats de nos travaux incluent l’exploration d’un protocole de charge alternatif pour les batteries quantiques à spin, basé sur la modulation en fonction du temps d’un des paramètres internes du système, et la possibilité d’étudier ce protocole à la limite d’un très grand nombre d’éléments composant l’appareil », a déclaré Ferraro.
« Nous pensons que cela ouvrira de nouvelles perspectives intéressantes dans l’étude des batteries quantiques, y compris la possibilité de les réaliser en utilisant des systèmes tels que les atomes neutres, qui comptent actuellement parmi les principales plates-formes dans la course aux ordinateurs quantiques à grande échelle. »
Ferraro et ses collègues ont évalué la nouvelle conception de batterie quantique à spin et le protocole de charge dans une série de tests initiaux. Leurs résultats étaient très prometteurs et ont mis en évidence la robustesse de la méthode de charge proposée, qui ne nécessite pas une grande précision pour permettre la manipulation de la batterie en temps réel.
À l’avenir, cette étude pourrait ouvrir la voie au développement de nouvelles batteries quantiques à semi-conducteurs très performantes et stables. Pendant ce temps, Ferraro et ses collègues prévoient de continuer à travailler sur leur protocole de chargement des batteries quantiques à spin, tout en explorant leur sensibilité à d’autres facteurs environnementaux.
« Nous explorons actuellement comment des facteurs tels que la température et les interactions à longue portée affectent le processus de charge d’une grande classe de batteries quantiques, qui inclut le modèle d’Ising déjà brièvement évoqué à la fin de notre article », a ajouté Ferraro. « Notre objectif principal est d’identifier un cadre général, applicable à un large éventail de systèmes, afin de déterminer s’ils sont des candidats appropriés pour une mise en œuvre en tant que batteries quantiques. »
Plus d’informations :
Riccardo Grazi et al, Contrôle du stockage d’énergie traversant les transitions de phase quantique dans une batterie quantique à spin intégrable, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.197001. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2402.09169
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