古典物理学に逆らう電池
古典物理学では、複数の電池を同時に充電することは、より多くの電力またはより多くの時間が必要です — 充電速度、セル数、およびエネルギー入力の関係は線形で避けられません。量子力学は異なる可能性を提供します：量子のコヒーレンスと絡み合いにより、複数のユニット全体でエネルギーを集合的に保存することができるシステムであり、全体をその部分の合計より効率的にします。オーストラリアの研究者によって構築された新しいプロトタイプは、このような量子上の利点を実際のデバイスで初めて実証しました。
メルボルン大学、RMIT大学、およびCSIRO（オーストラリアの国家科学機関）から構成されたチームは、室温で量子コヒーレントなエネルギー保存をサポートする有機半導体材料を使用して量子電池を構築しました。テストでは、システムにより多くのユニットが追加されるにつれてデバイスの充電速度が増加することを観察し、理論物理学者が予測していたが物理的プロトタイプでは以前に観察されたことのない現象である量子充電上の利点として知られています。
量子充電上の利点説明
従来の電池では、個々の電気化学セルは独立して充電されます。システムにより多くのセルを追加するには、セル間の相互作用から恩恵を受けないため、比例してより多くのエネルギー入力と時間が必要です — 各セルは独立して独自の作業を行います。総充電時間は、所定の電力レベルでセルの数に比例してスケールします。
量子電池は量子力学的特性（特に重ね合わせと絡み合い）を利用して、独立ではなく集合的にセルを充電します。セルが充電中に量子重ね合わせ状態にある場合、エネルギーは順序立てられるのではなく同時にシステム全体に分散されることができます。システムがより大きくなり、より多くの絡み合いチャネルが利用可能になると、この集合的な充電プロセスの効率は実際に向上します。その結果、より大きな量子電池は、同じ電力入力でより小さな電池よりもセルあたり速く充電されます — 古典物理学が予測するものとは反対です。
有機半導体の役割
オーストラリアのチームの作業における主要な技術的成果の1つは、異国の低温システムではなく有機半導体材料を使用して量子充電上の利点を実証することです。量子電池の以前の理論的提案は、通常、絶対零度近くの温度での動作を想定していました。ここで、量子コヒーレンスは維持しやすいですが、実用的なアプリケーションは厳しく制限されています。有機半導体は、室温での量子電池動作に必要な量子コヒーレント電子状態をサポートでき、テクノロジーを実世界デバイスの可能性があります。
プロトタイプで使用される特定の有機半導体は、Frenkelエキシトンキャリアをサポートしています — 材料の分子構造を通じて一貫して伝播することができる興奮した電子状態の一種。チームは充電中にこの一貫したトランスポートパスウェイを利用するようにデバイスを設計することで、高価な冷却インフラストラクチャなしで動作するシステムで量子上の利点を観察することができました。
プロトタイプから実用デバイスへ
現在のプロトタイプは、製品対応テクノロジーではなく、概念実証です。達成されたエネルギー密度はリチウムイオン電池のものより著しく低く、デバイスは耐久性を評価するために数千の充放電サイクルを通じてテストされていません。直接の研究アジェンダは、充電中に量子コヒーレンスをどのように正確に維持するかを理解し、理想的な実験室設定から温度および環境条件がどのように変化するかについてデバイスがどのように機能するかについて焦点を当てます。
この研究を動機付ける可能性のあるアプリケーションには、電子デバイス、電気自動車、およびグリッドストレージシステムの高速充電が含まれます。ここで、高いレートでエネルギーを吸収する能力は、それを保存する能力と同じくらい重要です。デバイスサイズとエネルギー容量が上方にスケールされる場合、量子充電上の利点を維持できる場合、充電インフラストラクチャへの影響は重要である可能性があります — 特に充電時間を減らすことが大量採用への主な障壁の1つが残っているEVアプリケーションのために。
物理スケールでの理論的検証
このプロトタイプの重要性は、その短期的なアプリケーション可能性を超えています。量子電池は10年以上前に理論的に提案されました。機能的なデバイスを構築して予測された量子上の利点を実証することで、その仮定に関して時々疑問を呈した理論的作業の本体を検証します。その仮定は、不一貫な維持が物理的に達成可能かどうかについてです。オーストラリアのプロトタイプは、少なくとも実験室環境では、この質問に肯定的に答えます。
この検証は、理論家に量子電池物理学が理想化されていることが現実であることに信頼を与えることで、エンジニアに具体的な設計言語を与えることで、この分野を加速させます — より高いエネルギー密度と実用的な形式の要因を目指している次世代の実験的デバイスを基礎とするコヒーレントエキシトンキャリアをサポートする有機半導体。
この記事は、Interesting Engineeringのレポートに基づいています。元の記事を読む。
Originally published on interestingengineering.com
