В мире создана первая квантовая батарея с мгновенной зарядкой
Учёные из Австралии впервые продемонстрировали квантовый аккумулятор, который заряжается тем быстрее, чем больше его размер — за счёт коллективных квантовых эффектов, недоступных обычным батареям. Команда CSIRO, Мельбурнского университета и RMIT создала прототип, способный не только сверхбыстро поглощать энергию лазерного импульса, но и отдавать её в виде электрического тока, что ранее существовало лишь в теории, пишет Sciencedaily.
В классических литий‑ионных батареях зарядка идёт через последовательные химические реакции, поэтому электромобилям и гаджетам требуются минуты и часы у розетки. Квантовая батарея работает иначе: молекулы внутри специальной оптической микрополости поглощают свет коллективно, благодаря явлению суперпоглощения и квантовой запутанности, а время зарядки уменьшается по мере увеличения числа молекул. Исследователи показали, что мощность зарядки растёт быстрее, чем размер системы, что противоречит интуиции классической термодинамики и открывает путь к ультрабыстрой подзарядке крупной техники.
Сам прототип представляет собой многослойную органическую микрополость, которая «запирает» свет внутри и направляет его в поглощающий молекулярный слой. Заряд происходит беспроводным способом — узконаправленным лазерным импульсом, а специально добавленные транспортные слои выводят энергию наружу уже в виде электрического тока. Важно, что устройство стабильно работает при комнатной температуре, в отличие от большинства квантовых систем, требующих охлаждения до криогенных температур.
Путь к этому результату занял несколько лет: ещё в 2022 году команда Джея (Джеймса) Квача экспериментально доказала суперпоглощение — эффект, при котором большие квантовые системы поглощают энергию быстрее, чем маленькие. Тогда учёные могли зарядить микрополость, но не умели эффективно извлекать накопленный заряд; в новой работе они добавили архитектуру, которая переводит захваченный свет в долгоживущие возбуждённые состояния и затем в электрический ток.
Пока что объём накопленной энергии ограничен: прототип хранит лишь крошечные количества (порядка миллиардов электронвольт) и удерживает их наносекунды, хотя это уже на шесть порядков дольше, чем длится фемтосекундная зарядка. Учёные подчёркивают, что до питания бытовой электроники ещё далеко, и ближайшие задачи связаны с гибридными системами, которые объединят сверхбыструю квантовую зарядку и длительное хранение энергии в классических материалах.
В перспективе компактные квантовые аккумуляторы могут стать «внутренними батарейками» для квантовых компьютеров, фотонных чипов и высокочувствительных медицинских сенсоров, где важна мгновенная подзарядка и высокая плотность энергии. На более поздних этапах масштабирование технологии теоретически позволит создавать хранилища, способные заряжать электронику и транспорт почти моментально, уменьшая время у зарядной станции до секунд.
Что такое квантовые батареи и откуда идея
Идея квантовых батарей появилась в начале 2010‑х, когда теоретики показали, что за счёт квантовой запутанности и коллективных эффектов зарядка может ускоряться по мере роста системы, а не замедляться, как в классике. Ключевое понятие здесь — «суперэкстенсивное» масштабирование: время зарядки уменьшается примерно как 1/N или даже 1/N, где N — число квантовых элементов, в то время как мощность растёт быстрее линейного закона.
Экспериментальный прорыв произошёл в 2022 году, когда группа Квача показала в органических микрополостях эффект суперпоглощения — ускоренное поглощение света большими массивами молекул. Эти эксперименты впервые подтвердили, что в реальных оптических структурах возможно коллективное квантовое поведение, необходимое для квантовых батарей.
Авторы исследования подчёркивают, что сейчас квантовые батареи нужно рассматривать как высокоспециализированную лабораторную технологию, а не конкурента литий‑иону в смартфонах. Однако сами принципы — коллективная зарядка, суперпоглощение и квантовая оптимизация маршрута энергии — уже начинают влиять на проекты будущих энергоэффективных чипов и квантовой электроники.
Напомним, что на Марсе впервые нашли следы минерала, из которого образуются рубины и сапфиры.