Μια ομάδα επιστημόνων από το RIKEN Center for Quantum Computing στην Ιαπωνία και το Huazhong University of Science and Technology στην Κίνα παρουσίασε ένα θεωρητικό μοντέλο που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά όσα γνωρίζουμε για την αποθήκευση ενέργειας. Πρόκειται για την πρώτη «τοπολογική κβαντική μπαταρία», ένα σύστημα ικανό να μεταφέρει ενέργεια σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς απώλειες ή ακόμη καλύτερα, να αξιοποιεί την ίδια τη διαδικασία της απώλειας για να ενισχύσει προσωρινά τη φόρτιση.
Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, δείχνει πώς οι τοπολογικές ιδιότητες των φωτονικών κυματοδηγών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ξεπεραστούν τα θεμελιώδη όρια της φυσικής που μέχρι τώρα κρατούσαν τις κβαντικές μπαταρίες στη σφαίρα της θεωρίας. Αν επιβεβαιωθεί πειραματικά, η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε εξαιρετικά αποδοτικές μπαταρίες νανοκλίμακας και να φέρει πιο κοντά την εποχή των πρακτικών κβαντικών συσκευών.
Οι λεγόμενες κβαντικές μπαταρίες υπόσχονται να αποθηκεύουν και να μεταφέρουν ενέργεια όχι μέσω χημικών αντιδράσεων, όπως οι κλασικές μπαταρίες, αλλά μέσω φαινομένων όπως η κβαντική υπέρθεση, η εμπλοκή και η συνοχή.
Η θεωρία υποδεικνύει πως τέτοιες μπαταρίες θα μπορούσαν να φορτίζονται αστραπιαία, να έχουν πολύ μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα και να μεταφέρουν ενέργεια με ελάχιστες απώλειες. Όμως, μέχρι σήμερα, κάθε προσπάθεια δημιουργίας μιας πραγματικής κβαντικής μπαταρίας σκοντάφτει στο ίδιο πρόβλημα: η κβαντική συνοχή είναι εξαιρετικά εύθραυστη. Μικρές ατέλειες στο περιβάλλον ή το παραμικρό θερμικό θόρυβο αρκούν για να καταρρεύσουν τα κβαντικά φαινόμενα, οδηγώντας σε απώλειες ενέργειας.
Η τοπολογία, ένας κλάδος των μαθηματικών που μελετά ιδιότητες που παραμένουν αναλλοίωτες όταν ένα αντικείμενο στρεβλώνεται ή παραμορφώνεται, έχει αναδειχθεί σε ένα από τα πιο συναρπαστικά εργαλεία της σύγχρονης φυσικής. Τα τελευταία χρόνια, τοπολογικά υλικά έχουν δείξει ικανότητα να μεταφέρουν ηλεκτρόνια ή φωτόνια με σχεδόν μηδενική απώλεια, κάτι που οι επιστήμονες τώρα επιχειρούν να εκμεταλλευτούν και στην αποθήκευση ενέργειας.
Η ομάδα του RIKEN χρησιμοποίησε μοντέλα που συνδυάζουν δύο βασικά στοιχεία: φωτονικούς κυματοδηγούς με τοπολογική σταθερότητα και άτομα δύο ενεργειακών επιπέδων που λειτουργούν ως αποθήκες ενέργειας. Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις και αναλυτικά μοντέλα, οι ερευνητές έδειξαν ότι είναι δυνατό να επιτευχθεί ταυτόχρονα μακρινή μεταφορά ενέργειας και ανθεκτικότητα σε απώλειες.
Ακόμη πιο απρόσμενο ήταν το εύρημα ότι η «διάχυση», δηλαδή το φαινόμενο της απώλειας ενέργειας, μπορεί, σε ορισμένες περιπτώσεις, να αυξήσει προσωρινά τη δύναμη φόρτισης. Με απλά λόγια, το φαινόμενο που θεωρούσαμε εμπόδιο μπορεί να γίνει σύμμαχος.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το τοπολογικό αυτό σύστημα επιτρέπει σχεδόν τέλεια μεταφορά ενέργειας ανάμεσα στην πηγή φόρτισης και το «κύτταρο» της μπαταρίας. Όταν τα δύο βρίσκονται στο ίδιο σημείο, το σύστημα αποκτά ανοσία στις απώλειες, περιορισμένη σε ένα συγκεκριμένο υποπλέγμα. Αλλά ακόμη και όταν οι απώλειες ξεπερνούν ένα κρίσιμο όριο, η φόρτιση ενισχύεται στιγμιαία, προσφέροντας επιπλέον ενέργεια χωρίς εξωτερική παρέμβαση.
Αυτά τα ευρήματα ανατρέπουν θεμελιώδεις υποθέσεις στη φυσική των ενεργειακών συστημάτων. Μέχρι τώρα, η διάχυση θεωρούνταν πάντα ανεπιθύμητη. Η νέα θεωρητική προσέγγιση δείχνει ότι, υπό τις σωστές συνθήκες, η φύση μπορεί να χρησιμοποιήσει την ίδια τη φθορά ως μηχανισμό βελτίωσης της απόδοσης.
«Η έρευνά μας προσφέρει μια νέα τοπολογική προοπτική στην ενεργειακή αποθήκευση και υποδεικνύει τρόπους για τη δημιουργία μικροσκοπικών συστημάτων υψηλής απόδοσης», δηλώνει ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Zhi-Guang Lu. «Αν καταφέρουμε να ξεπεράσουμε τα εμπόδια που προκαλούν οι αποστάσεις και οι απώλειες, τότε οι κβαντικές μπαταρίες μπορούν επιτέλους να γίνουν πραγματικότητα».
Ο επικεφαλής της διεθνούς ομάδας, Cheng Shang, προσθέτει ότι ο επόμενος στόχος είναι να μεταφερθεί το μοντέλο από τη θεωρία στο εργαστήριο.
Θέλουμε να γεφυρώσουμε το χάσμα ανάμεσα στη μαθηματική περιγραφή και στις πραγματικές συσκευές. Είναι το πρώτο βήμα προς την εποχή των κβαντικών τεχνολογιών που όλοι περιμέναμε.
Αν αυτό το μοντέλο υλοποιηθεί, οι επιπτώσεις του θα είναι τεράστιες. Μια τοπολογική κβαντική μπαταρία θα μπορούσε να τροφοδοτεί μικροσκοπικές κβαντικές συσκευές, δίκτυα επικοινωνίας φωτονίων ή κβαντικούς υπολογιστές, χωρίς απώλειες και χωρίς την ανάγκη για πολύπλοκα συστήματα ψύξης ή διόρθωσης λαθών.
[source]
