Akud, mis ei tühjene kunagi. Kuulub nagu ulme? Mitte kaua. Hiina teadlased on astunud olulise sammu praktilise kvantaku aku loomise suunas, mis säilitab laengu palju kauem kui olemasolevad kontseptsioonid. Selle läbimurde võti? Väike defekt teemantis.
Kvantakud on põnev uurimisvaldkond energeetikas. Erinevalt klassikalistest akudest kasutavad need kvantmehaanika põhimõtteid, nagu superpositsioon ja seotus, kiiremaks laadimiseks ja – teoreetiliselt – energiatõhusamaks edastamiseks. Kuigi see idee on olemas juba mitu aastat, on selle praktiline rakendamine siiani jäänud kättesaamatuks.
Üks kvantakude suurimaid probleeme on isetühjenemine. Kokkupuutel keskkonnaga kaotavad haavatavad kvantseisundid oma koherentsuse, mida nimetatakse dekohereentsuseks. See tähendab, et kogunenud energia nagu voolab ära, jõudmata kasutamisele.
Teemanti ja NV-keskuse roll
Uus konstruktsioon, mille on välja töötanud Hiina Teaduste Akadeemia, Hubei Ülikooli ja Lanzhou Ülikooli teadlased, lahendab selle probleemi elegantselt. Selle asemel, et tugineda keerukatele välistele laadijatele või ebastabiilsetele kvantühendustele, kasutavad nad teadaolevat teemantstruktuuri: lämmastiku vaba (NV) keskpunkti.
See NV-keskus on hästi uuritud defekt teemantide kristallvõres, kus lämmastiku aatom asub puuduva süsiniku aatomi kõrval. Sellel defektil on eriline omadus: see sisaldab hästi kontrollitava spinniga elektroni, mis käitub kvanttingimustes väga stabiilselt. Just see teebki selle huvitavaks kandjana kvantakule.
Maa pöörleb oma telje ümber üha kiiremini, „põhjused on täiesti ebaselged“
Kvantlaadijat pole enam vaja
Seni on enamik kvantakude konstruktsioone nõudnud välist kvantlaadijat energia salvestamiseks süsteemis. Kuid see laadija tekitab uue probleemi: aku ja laadija vaheline interaktsioon vähendab niinimetatud ergotropiat – maksimaalset kogunenud energia osa, mis saab tegelikult kasulikuks tööks muundada.
NV-põhine konstruktsioon lahendab selle probleemi, kasutades sisemist vastastikmõju NV keskpunkti elektroni ja lämmastiku aatomi tuumaspini vahel. See nn hüpertundlik vastastikmõju on piisav energia koherentseks säilitamiseks ilma välise kvantseadmeta.
Kaasautor Jun-Hong Ani sõnul pakub see disain ainulaadset võimalust: „On tehtud mitmeid ettepanekuid enesetühjenemise vältimiseks, kuid need nõuavad kvantlaadijat. Meie lähenemine lahendab selle probleemi kvantinteraktsioonidel põhineva sisemise kontrolli abil.”
Koherentne energia kui võti
Siin on oluline vahe koherentse ja mittekoherentse energia salvestamise vahel. Koherentne energia on kvantmehaaniliselt korrastatud ja kaob keskkonnas aeglasemalt kui kaootilisem mittekoherentne komponent. Uurimisrühm avastas, et nad saavad optimeerida nende kahe komponendi suhet, et säilitada suurem osa energiast kasulikus vormis.
See viib meid lähemale tõelise kvantakuupäeva kontseptsioonile, mis suudab energiat säilitada nädalate või isegi kuude jooksul ilma isetühjenemata. See võib olla läbimurre eelkõige rakendustes, kus on oluline kiire laadimine, nagu droonid, meditsiinilised implantaadid või nanosatelliidid.
Teooriast praktikasse?
Esitatud aku on endiselt peamiselt teoreetiline mudel, kuigi seda toetavad simulatsioonid ja eksperimentaalsed andmed. Valitud materjalid – teemant ja lämmastik – on suhteliselt lihtsad toota ja töödelda, mis suurendab nende potentsiaali mastaapsete rakenduste jaoks.
Lisaks on NV-keskused juba laialdaselt uuritud kvantarvutites ja magnetandurites. Olemasolev infrastruktuur võib kiirendada üleminekut akudele.
Enese tühjenemata kvantakuupäev avab ukse täiesti uuele energiaarhitektuurile. Aeglaselt tühjenevate akude asemel (isegi kui neid ei kasuta) võiks luua salvestusseadmeid, mis püsivad stabiilsena kuude kaupa – ideaalne lahendus kasutamiseks kaugetes kohtades või kohtades, kus laadimine on keeruline.
Lisaks võib kiire laadimise ja pika säilivuse kombinatsioon revolutsioneerida tarbeelektroonika, alates kantavatest seadmetest kuni nutitelefonideni, ja isegi autotööstuse. Kujutage ette telefoni, mis laeb mõne sekundiga ja töötab mitu päeva ilma energiakaotuseta.
