Prosadí se kvantové baterie v nanoelektronice? Kredit: CC0 Public Domain.

Dnešní přenosná elektronika je neoddělitelně spjatá s bateriemi. Každodenní zkušenost přitom obvykle máme s lithium-iontovými bateriemi, které využívají klasické elektrochemické principy. Jsme jim vděčni za mnohé, ale zároveň je jasné, že lithium-iontové baterie nejsou ideální. Proto odborníci neustále hledají nové designy baterií, které bychom mohli využít v mnoha různých aplikacích.

Kanadský tým University of Alberta a University of Toronto nedávno vyvinul design nové kvantové baterie, která by neměla ztrácet žádný elektrický náboj. Podle vedoucího výzkumu, kterým byl chemik Gabriel Hanna z University of Alberta, jde o nepatrnou nanobaterii, která by měla nalézt uplatnění v aplikacích odpovídající velikost, čili v nanoměřítku.

Gabriel Hanna. Kredit: University of Alberta.

Podle Hanny jejich výzkum teoreticky potvrzuje, že je možné vytvořit kvantovou baterii, která nebude přicházet o elektrický náboj. Díky tomu by baterie Hannova týmu měla mít výhodu v porovnání s ostatními doposud navrženými kvantovými bateriemi. Tento typ baterií by se mohl stát klíčovou komponentou mnoha kvantových zařízení, jako jsou například vyvíjené kvantové počítače. Nemalou výhodou zmíněné baterie je i to, že ji podle všeho bude možné vyrábět se současnými technologiemi pro zpracování nanomateriálů.

Hannův tým ve své studii použil model otevřené kvantové sítě s vysokou strukturální symetrií. Ten jim pak následně posloužil jako platforma pro ukládání excitonické energie. Takovou energii lze získat, když elektron absorbuje dostatečně energetický foton elektromagnetického záření. S pomocí zmíněného modelu Hanna a spol. názorně předvedli, že je teoreticky možné uskladnit energii beze ztrát, i když jde o systém, který je otevřený okolnímu prostředí.

University of Alberta, logo.

Jak říká Hanna, klíčem k úspěchu jejich designu kvantové nanobaterie je, že zahrnuje kvantovou síť v takzvaném temném stavu (dark state). V tomto stavu jsou elektrony v koherentní superpozici, která jim brání absorbovat a také vydávat záření. Kvantová síť v temném stavu si nemůže vyměňovat energii s okolním prostředím. Díky tomu se systém takové kvantové baterie stane de facto imunním proti všem vlivům prostředí. Baterie je pak vysoce odolná vůči samovolným ztrátám energie. Když by bylo třeba z takové baterie odebrat energii pro nějakou aplikaci, tak se na tom bude podílet narušení strukturální symetrie použité kvantové sítě.

Badatelé hodlají na designu pozoruhodné kvantové nanobaterie nadále intenzivně pracovat. Budou hledat vhodné postupy pro nabíjení a vybíjení takové baterie, stejně jako vhodné výrobní postupy, které by zajistily kvantové baterie pro praktické aplikace.

Literatura

University of Alberta 24. 10. 2019.