Pin Pin Lần Đầu Tiên Trên Thế Giới - Nạp Điện Nhanh Hơn Khi Kích Thước Tăng Lên Nhưng Nó Rất Nhỏ Và Chỉ Tồn Tại Trong Nanosecond

(MENAFN- The Conversation) Bạn đến muộn cuộc hẹn quan trọng. Vừa ra khỏi nhà, bạn nhận ra điện thoại đã hết pin.

Hãy tưởng tượng bạn có thể sạc nó gần như ngay lập tức bằng cách khai thác các quy tắc kỳ lạ của vật lý lượng tử. Đó là lời hứa của pin lượng tử.

Các đồng nghiệp của tôi tại CSIRO và tôi đã phát triển các nguyên mẫu pin lượng tử đầu tiên trên thế giới – và hướng đi của công nghệ này thật bất ngờ.

Hiệu ứng lượng tử tập thể

Bạn có thể đã nghe về các hiệu ứng lượng tử kỳ lạ như siêu chồng chất và rối lượng tử, cho phép các vật thể nhỏ bé hoạt động rất kỳ quặc. Chúng cũng có thể cho phép máy tính lượng tử giải quyết các vấn đề mà máy tính truyền thống không thể.

Một đặc điểm kỳ lạ của thế giới lượng tử là những gì gọi là “hiệu ứng tập thể”. Chúng là yếu tố tạo nên các đặc tính độc đáo của pin lượng tử.

Trong điều kiện thích hợp, các đơn vị lưu trữ của pin lượng tử không hoạt động riêng lẻ mà hành xử tập thể. Trong một cú twist phản trực giác, điều này có nghĩa là các đơn vị sạc nhanh hơn khi hoạt động cùng nhau hơn là khi sạc riêng lẻ.

Giả sử pin lượng tử của bạn có N đơn vị lưu trữ, mỗi đơn vị mất một giây để sạc. Hiệu ứng tập thể có nghĩa là nếu tất cả các đơn vị được sạc cùng lúc, mỗi đơn vị sẽ mất chỉ 1∕√N giây để sạc.

Điều này có nghĩa là càng lớn pin lượng tử của bạn, thời gian sạc càng ngắn. Nếu nó tăng gấp đôi kích thước, thời gian sạc sẽ chỉ dài hơn một chút so với một nửa.

Như thể mỗi đơn vị nào đó biết có các đơn vị khác xung quanh, và sự hiện diện của chúng khiến đơn vị sạc nhanh hơn. Kỳ lạ phải không?

Điều này hoàn toàn khác biệt so với cách hoạt động của pin truyền thống, nơi pin lớn hơn thường mất nhiều thời gian hơn để sạc. Đó là lý do tại sao sạc điện thoại di động có thể mất một giờ, còn xe điện của bạn cần cả đêm.

Xây dựng pin lượng tử

Ý tưởng về pin lượng tử đã chỉ là một sự tò mò lý thuyết trong một thời gian dài. Nhưng vào năm 2018, tôi bắt đầu chứng minh rằng chúng thực sự có thể được xây dựng.

Năm 2022, cùng với các đồng nghiệp ở Vương quốc Anh và Ý, chúng tôi đã chế tạo một nguyên mẫu pin lượng tử sử dụng một microcavity hữu cơ – một loại sandwich nhiều lớp nhỏ, phức tạp gồm nhiều vật liệu khác nhau bắt ánh sáng theo một cách đặc biệt.

Và chúng tôi đã lần đầu tiên chứng minh được hành vi kỳ lạ, nơi các pin lượng tử lớn hơn thực sự mất ít thời gian hơn để sạc.

Thật ra, chúng tôi đã chứng minh rằng thời gian sạc giảm theo dạng 1∕√N, trong đó N là số phân tử trong pin của chúng tôi. Càng nhiều phân tử, pin sạc càng nhanh – chính xác như lý thuyết đã dự đoán.

Một điều mà nguyên mẫu đầu tiên này chưa có là cách để lấy năng lượng ra khỏi nó. Để làm điều này, trong nghiên cứu mới nhất của chúng tôi, đăng trên tạp chí Light: Science & Applications, chúng tôi đã thêm các lớp phụ vào thiết bị của mình để chuyển đổi năng lượng thành dòng điện. Đây là bước tiến lớn hướng tới một pin lượng tử thực tế.

Tiến bộ còn nhiều để đạt được

Vậy tại sao chúng ta chưa thấy pin lượng tử trong các cửa hàng? Chà, dung lượng của pin lượng tử vẫn còn nhỏ (chỉ vài tỷ electron-volt), và thời gian giữ sạc của chúng rất ngắn (chỉ vài nanosecond). Điều này có nghĩa là pin lượng tử vẫn quá nhỏ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị thông thường như điện thoại di động của bạn, ít nhất là hiện tại.

Nhưng pin lượng tử có thể hoàn hảo để cung cấp năng lượng cho các thiết bị lượng tử như máy tính lượng tử. Thực tế, pin lượng tử có thể là giải pháp chính xác mà các máy tính lượng tử cần để hoạt động ở quy mô lớn hơn và trở nên thực tế.

Trong khi chúng ta chưa có pin lượng tử thực tế, hiện chúng tôi đang làm việc để mở rộng kích thước nguyên mẫu và kéo dài thời gian giữ sạc của nó. Chúng tôi hy vọng tạo ra một thiết kế lai kết hợp tốc độ sạc vượt trội của pin lượng tử với thời gian lưu trữ dài của pin cổ điển.

Những tiến bộ mà chúng tôi đạt được là minh chứng cho hàng thế kỷ công trình lý thuyết của các nhà khoa học lượng tử trước chúng tôi.

Pin của nguyên mẫu đầu tiên của chúng tôi chỉ duy trì sạc trong vài nanoseconds. Chuyến bay đầu tiên của anh em nhà Wright cũng chỉ kéo dài một chút. Tiến bộ cần thời gian – nhưng pin lượng tử chắc chắn đang nằm trong tầm nhìn của chúng ta.