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    As interações dentro das baterias quânticas são fundamentais para sua vantagem de carga

    Crédito:FLEET

    Estudos teóricos recentes na Monash University nos trazem um passo mais perto de baterias quânticas realistas.

    Essa tecnologia dependeria da diferença de energia oferecida por diferentes estados quânticos, ao invés de mudanças eletroquímicas, como é o caso das baterias tradicionais.

    As baterias quânticas também oferecem potencial para uma eficiência termodinâmica muito melhor, e tempo de carregamento ultra-rápido.

    O estudo, que foi co-liderado por Meera Parish da FLEET e Jesper Levinsen expandiu a pesquisa anterior em indivíduos, baterias quânticas isoladas para considerar uma forma mais realista, sistema de muitos corpos com interações intrínsecas. Os pesquisadores mostraram que as baterias quânticas interativas carregam mais rápido do que as baterias isoladas.

    Construindo baterias melhores (quânticas)

    Com a proliferação da computação móvel, surge uma demanda correspondente por cada vez mais eficiente, baterias de carregamento cada vez mais rápido.

    As baterias quânticas apresentam um futuro possível, com o emaranhamento quântico (a famosa "ação fantasmagórica à distância" de Einstein), oferecendo o potencial de desempenho que excede em muito a tecnologia clássica.

    A chave para qualquer bateria é a diferença entre seu estado carregado e descarregado. Em baterias eletroquímicas, como o pacote de íons de lítio do iPhone, isso representa uma diferença na carga eletrônica armazenada. No esquema hidrelétrico de Snowy River, é a diferença entre a água armazenada em altitudes mais altas ou mais baixas. Em ambos os casos, essa energia armazenada está disponível para ser usada no trabalho.

    No entanto, baterias clássicas como esses exemplos operam em apenas uma pequena fração dos limites termodinâmicos teóricos.

    Em uma bateria quântica, tal diferença dependeria do emaranhamento quântico:a ligação quântica entre partículas com formas de onda quânticas idênticas. Um par de baterias quânticas emaranhadas tem um desempenho muito melhor do que uma sozinha, na verdade, em teoria, o desempenho de um número grande o suficiente de baterias quânticas emaranhadas poderia se aproximar de 100% do limite termodinâmico.

    Três paradigmas de carregamento diferentes. Crédito:FLEET

    O aumento da potência de uma bateria quântica aprimorada por emaranhamento permite teoricamente que as baterias quânticas sejam carregadas muito mais rápido do que suas contrapartes clássicas.

    Pesquisas anteriores em baterias quânticas assumiram discreta, sistemas quânticos independentes que dependem de sistemas globais, interações de muitos corpos para obter uma vantagem quântica na carga de energia.

    O recente estudo da Monash, em vez disso, considerou baterias quânticas mais realistas, com interações intrínsecas de muitos corpos.

    As cadeias de spin quânticas foram consideradas uma plataforma promissora para baterias quânticas. As cadeias de spin consistem em vários spins dispostos em uma linha unidimensional e têm servido como um modelo importante e frutífero para sistemas mais complicados desde os primeiros dias da física quântica.

    Os pesquisadores descobriram que essas baterias quânticas, vinculados por meio de interações spin-spin carregam mais rápido do que suas contrapartes sem interação.

    Interessantemente, os pesquisadores também descobriram que essa vantagem de carregamento não era devido a correlações (quânticas ou clássicas), como tem sido o caso em trabalhos anteriores, mas sim devido ao efeito de campo médio das interações entre os spins.

    Além disso, no estudo da Monash, as baterias foram carregadas por campos locais, em vez da cobrança coletiva usual.

    O trabalho também mostra como a estrutura de energia das baterias quânticas pode ser construída para fornecer carregamento ultrarrápido.

    Este trabalho demonstra a fusão de sistemas realistas de matéria condensada com a termodinâmica quântica, culminando em baterias quânticas de vários corpos potencialmente realizáveis.

    Foi também a primeira vez que se assumiu que o carregamento de baterias era feito por campos aplicados localmente, em vez da cobrança coletiva usual.

    Cadeias de giro em gás atômico ultra-frio. Crédito:FLEET

    O estudo, Modelo de cadeia de spin de uma bateria quântica de muitos corpos, foi co-liderado por Thao P. Le e publicado em Revisão Física A em fevereiro de 2018.

    Física de não equilíbrio e FLEET

    A força de uma bateria quântica em uma nova, estado carregado representa um exemplo de física de não equilíbrio, em que os sistemas são forçados do equilíbrio para um estado temporário.

    É relativamente novo, e campo emocionante, e uma mudança de paradigma na engenharia de materiais.

    Na FLEET, mecanismos de desequilíbrio são perseguidos por pesquisadores no Tema de Pesquisa 3 do Centro, materiais transformados por luz, com o objetivo de alcançar caminhos de resistência zero para corrente elétrica, como parte da missão do Centro de desenvolver uma nova geração de eletrônicos de ultra-baixa energia.

    Por exemplo, baixo, intensas explosões de luz podem ser usadas para forçar temporariamente a matéria a adotar um novo, estado topológico distinto ou para mudar para um estado superfluido.

    O estado forçado alcançado é apenas temporário, mas os pesquisadores aprendem muito sobre a física fundamental de isolantes topológicos e superfluidos enquanto observam o material mudando entre os estados natural e forçado, durante um período de vários microssegundos.

    A pesquisa de Meera Parish e Jesper Levinsen dentro do Tema de pesquisa 3 da FLEET busca a compreensão e o controle das interações entre partículas na matéria quântica, Incluindo:

    • Diferenças entre sistemas que compreendem apenas algumas partículas, e sistemas compreendendo muitas partículas
    • Efeitos de restringir o sistema a 1D ou 2-D
    • Comportamento das quase-partículas no sistema.

    FLEET é um centro de pesquisa financiado pelo Australian Research Council que reúne mais de uma centena de especialistas australianos e internacionais para desenvolver uma nova geração de eletrônicos de ultra-baixa energia.

    O grupo Theory of Quantum Matter está atualmente anunciando um doutorado. posição, estudando a física de gases atômicos ultracold.

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