Um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Lanzhou e da Universidade de Hubei propõe um esquema de carregamento de bateria quântica (QB) baseado em um guia de ondas de metal oco retangular. Esta abordagem permite-lhes superar a decoerência induzida pelo ambiente e as limitações de distância de carregamento. As descobertas foram publicadas em Physical Review Letters .



A procura e a oferta de baterias continuam a crescer com foco no aumento do armazenamento de energia, na longevidade e nas capacidades de carregamento. Nesta frente, os cientistas estão agora a desenvolver baterias quânticas que aproveitam os princípios da mecânica quântica para armazenar e fornecer energia.

O objetivo é usar princípios fundamentais da mecânica quântica, como emaranhamento e coerência, para superar as restrições da física clássica, alcançando assim um poder de carga mais forte, maior capacidade de carga e maior extração de trabalho em comparação com as contrapartes clássicas.

O novo estudo explora o QB colocando a bateria e o carregador em um guia de ondas oco retangular. Este método visa mitigar os efeitos da decoerência para alcançar um desempenho de QB eficiente e duradouro.

Falando sobre a motivação da equipe para explorar baterias quânticas, o principal autor do estudo, Prof. Jun-Hong An da Universidade de Lanzhou, China, disse ao Phys.org:"Os desafios de decoerência causam a perda espontânea de energia do QB, que é chamada de envelhecimento do QB."

"O outro desafio para o desempenho prático do QB é a sua baixa eficiência de carregamento, resultante da fragilidade das interações coerentes entre o QB e o seu carregador. Queríamos superar esses desafios."

Bateria quântica e guias de onda

O modelo QB é baseado em dois sistemas de dois níveis (TLSs), que são sistemas com dois níveis de energia distintos. Esses níveis de energia são normalmente representados como um estado fundamental e um estado excitado.

Um sistema é a própria bateria e o outro é o carregador. Os processos de carregamento e troca de energia entre estes TLSs desempenham um papel fundamental no funcionamento do sistema QB. Os TLSs são cobrados estabelecendo um acoplamento coerente com outros TLSs ou campos externos.

No contexto dos QBs, o acoplamento coerente é uma interação sincronizada e correlacionada entre estes sistemas quânticos, permitindo a transferência ou troca de energia. Estas interações coerentes são frágeis e introduzem decoerência nestes sistemas.

“Qualquer sistema quântico não pode ser absolutamente isolado de seu ambiente externo, o que inevitavelmente induz uma decoerência indesejada ao sistema”, explicou o Prof.

Esses modelos realizam o carregamento por meio da interação direta entre carregador e QB. No entanto, esta relação é afetada pela distância entre os dois, resultando num declínio na eficiência de carregamento. Para superar isso e o problema da decoerência, os pesquisadores introduziram guias de onda ocos retangulares.

Um guia de ondas é uma estrutura que guia ondas, normalmente ondas eletromagnéticas, ao longo de um caminho específico. Ele atua como um canal para as ondas, confinando-as e direcionando-as para que se desloquem de forma controlada.

"O guia de ondas retangular de metal oco é usado para coletar e guiar o campo eletromagnético para mediar a transferência de energia entre o QB e o carregador", disse o professor Jun-Hong.

A transferência de energia em si ocorre sem contato direto entre os dois TLSs, introduzindo uma nova abordagem ao processo de carregamento QB.

Interações quantizadas

O modelo dos pesquisadores depende da interação quantizada entre o campo eletromagnético e a matéria dentro de um guia de ondas.

Dentro dos limites do guia de ondas, o campo eletromagnético possui relações de dispersão específicas e estruturas de bandgap, que são parâmetros que influenciam sua propagação e interações dentro do sistema quântico.

Inicialmente, este campo eletromagnético está em estado de vácuo, o que significa que não há fótons em seus modos. Enquanto isso, o QB está em seu estado fundamental e o carregador está em estado excitado.

O carregador passa de um estado excitado para o estado fundamental, emitindo um fóton no campo eletromagnético. Isto introduz uma excitação no campo eletromagnético levando o campo a ter modos infinitos (ou configurações possíveis).

O fóton posteriormente é absorvido pelo QB, que faz a transição para um estado excitado.

Embora ter modos infinitos no campo eletromagnético normalmente induzisse decoerência no sistema quântico, o aspecto surpreendente é que os pesquisadores descobriram que esse campo de modo infinito atua como um ambiente e, ao contrário das expectativas, facilita a troca coerente de energia do carregador QB.

"Nosso trabalho revela um mecanismo para fazer com que uma troca coerente de energia do carregador QB aconteça pelo papel de mediação do campo eletromagnético de modo infinito", explicou o Prof.

Dinâmica de carregamento e trabalho futuro

A descoberta inesperada de que a decoerência no sistema não leva ao envelhecimento do QB contradiz a crença popular. Em vez disso, os investigadores observam que a troca de energia é um processo de carregamento ideal – normalmente esperado em cenários onde o carregador e o QB interagem diretamente.

Além disso, seu esquema QB mostrou um longo alcance para carregamento sem fio, com a formação de dois estados ligados no espectro de energia dos sistemas totais (ambiente-carregador QB) desempenhando um papel crucial.

"Uma mensagem para levar para casa do nosso trabalho é que as interconexões quânticas favorecidas pelo guia de ondas nos fornecem uma maneira útil de superar os desafios na realização prática do QB", acrescentou o Prof.

Isso melhora a eficácia do QB e abre a porta para a possibilidade de dispositivos mais leves e finos com maior facilidade, que também se destacam pela durabilidade.

O professor Jun-Hong também destacou que seu dispositivo era totalmente seguro e inofensivo, pois o campo eletromagnético está sempre confinado dentro do guia de ondas e o armazenamento de energia do QB, livre de reações eletroquímicas, promove uma reutilização infinita sem poluição ambiental.

O próximo passo para os pesquisadores é dimensionar seu esquema QB.

"Mais especificamente, planejamos desenvolver um modelo QB de muitos corpos que funcione na forma de carregamento remoto sem fio. Isso poderia nos permitir incorporar eficientemente a superioridade do emaranhamento quântico no aumento da potência de carregamento, da capacidade de carregamento e do trabalho extraível de um carregamento remoto e QB antienvelhecimento", concluiu o Prof. Jun-Hong.

Mais informações: Wan-Lu Song et al, Carregamento remoto e supressão de degradação para a bateria quântica, Cartas de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.090401. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.13784
Informações do diário: Cartas de revisão física , arXiv

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