Dephasing-powered open quantum-dot battery

Batterijen zijn de stille werkpaarden van het moderne leven; ze slaan energie op wanneer deze overvloedig aanwezig is en geven deze vrij wanneer dat nodig is. In de klassieke wereld bouwen we ze van chemicaliën die reageren om elektronen te verplaatsen. Maar naarmate wetenschappers hun instrumenten verkleinen tot de schaal van individuele atomen, is er een nieuw soort batterij ontstaan: de kwantumbatterij. Deze apparaten streven ernaar energie op te slaan in de vreemde, fragiele toestanden van de kwantummechanica, in de hoop sneller op te laden en meer vermogen vast te houden dan hun chemische neven. Een centrale uitdaging in dit veld is het onderscheid maken tussen energie die simpelweg in een systeem aanwezig is en energie die daadwerkelijk gebruikt kan worden om werk te verrichten. In de kwantumfysica kan een toestand vol energie zijn, maar toch "passief" zijn, wat betekent dat geen enkele slimme manipulatie een enkele joule aan bruikbaar werk uit die toestand kan extraheren. Om een echte batterij te zijn, moet een kwantumsysteem "actief" zijn, waarbij de energie wordt vastgehouden in een configuratie die toestaat dat deze op aanvraag wordt vrijgegeven.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier voorgesteld om een dergelijke batterij te bouwen met behulp van een eenvoudige keten van drie minuscule eilanden van elektronen, bekend als kwantumdots, en een bijzondere energiebron genaamd lokale dephasering (dephasering). Meestal beschouwen wetenschappers dephasering als een overlast—een soort statische ruis die delicate kwantuminformatie verstoort en experimenten verpest. Dit nieuwe werk laat echter zien dat als je dephasering op precies de juiste manier toepast, het als een krachtige motor kan fungeren. Door de energieniveaus van het systeem te laten trillen zonder elektronen toe te voegen of te verwijderen, ontdekten de onderzoekers dat ze elektronen in een hoogenergetische opslagtoestand konden pompen die anders bijna onmogelijk te bereiken zou zijn. Eenmaal opgeladen, houdt de batterij deze energie lange tijd vast, en het team demonstreerde twee verschillende manieren om die energie weer terug te krijgen, waarvan één zelfs meer werk kan extraheren dan de standaardlimieten van de kwantumtheorie normaal gesproken zouden toestaan.

Het apparaat dat zij hebben ontworpen is een lineaire keten van drie kwantumdots, wat in essentie kleine vallen voor elektronen zijn. Stel je deze dots voor als drie kamers op een rij. De twee kamers aan de rechterkant zijn identiek en bevinden zich op een laag energieniveau, terwijl de kamer aan de uiterst linkerkant naar een veel hoger energieniveau is geduwd, gescheiden door een grote kloof. De meest rechtse kamer is verbonden met een reservoir van elektronen, als een zee van water die in en uit kan stromen. De meest linkse kamer, die dient als de opslagunit, is geïsoleerd van deze zee. In een normale situatie zou een elektron er natuurlijk de voorkeur aan geven om in de lager gelegen kamers te blijven, en het zou zeer moeilijk zijn om een elektron in de hoogenergetische kamer aan de linkerkant te dwingen. De onderzoekers realiseerden zich dat door een specifiek type ruis, of dephasering, direct op die meest linkse kamer toe te passen, ze elektronen rond konden schudden. Deze ruis voegt geen elektronen toe aan het systeem; in plaats daarvan laat het de energieomgeving genoeg trillen om een elektron van de lager gelegen kamers naar de hoogenergetische opslagkamer te bewegen.

Het proces werkt omdat de ruis interactie heeft met het systeem op een manier die de gebruikelijke regels van evenwicht doorbreekt. Terwijl de ruis het systeem doet trillen, duwt het elektronen in die hoogenergetische toestand, waardoor een populatie-imbalans ontstaat. De elektronen hopen zich op in de opslagkamer, ver boven waar ze van nature tot rust zouden komen. Cruciaal is dat, omdat de opslagkamer zo hoog in energie zit en zo ver van het elektronreservoir verwijderd is, de elektronen daar vast komen te zitten. Ze kunnen niet gemakkelijk terugvallen of ontsnappen naar de zee. De onderzoekers ontdekten dat deze methode het systeem in een stationaire toestand brengt waarin een aanzienlijk deel van de opgeslagen energie "actief" is, wat betekent dat het klaar is om te worden gebruikt. In hun simulaties was de efficiëntie van deze opslag opmerkelijk hoog, waarbij ongeveer 73 procent van de totale opgeslagen energie beschikbaar was voor extractie. In het ideale limiet van zeer lage temperaturen zou deze efficiëntie de 100 procent kunnen benaderen.

Zodra de batterij is opgeladen, kan de ruisbron worden uitgeschakeld en blijft de energie gevangen. De onderzoekers toonden aan dat de geladen toestand lang stabiel blijft omdat het hoogenergetische elektron effectief geïsoleerd is van de omgeving die het normaal gesproken zou leegtrekken. Om te bewijzen dat dit een functionele batterij was, testte het team twee manieren om deze te ontladen. De eerste methode hield een eenvoudige, cyclische verandering van de spanning op de opslagdot in. Door snel het energieniveau van de opslagkamer te verlagen, het elektron te laten bewegen, en de energie vervolgens weer te verhogen, konden ze bijna al het beschikbare werk extraheren. Dit proces herstelde ongeveer 98,6 procent van de beschikbare actieve energie, wat aantoont dat de batterij bijna volledig geleegd kan worden met behulp van een eenvoudige regelknop.

De tweede ontladingsmethode was nog verrassender. In plaats van alleen het elektron binnen het systeem te verplaatsen, verbonden de onderzoekers de opslagdot direct met een aparte elektronische belasting, zoals een kleine motor of een circuit. Door het elektron vanuit de hoogenergetische opslagdot naar deze belasting te laten tunnelen, konden ze de opgeslagen energie omzetten in elektrochemisch werk. In dit proces in een open systeem was de batterij in staat meer werk te leveren dan de standaardlimiet van "actieve" energie zou suggereren. Dit gebeurde omdat de interactie met de belasting het systeem in staat stelde om de "passieve" energie aan te boren die eerder als onbruikbaar werd beschouwd. De hoeveelheid geëxtraheerde arbeid hing af van de instellingen van de belasting, maar de onderzoekers vonden een breed scala aan instellingen waarbij de batterij efficiënt presteerde, wat betekent dat het geen perfecte afstemming vereiste om goed te werken.

De studie onderzocht ook hoe lang het duurt om de batterij op te laden en hoe stabiel deze blijft. Ze ontdekten dat de snelheid van het opladen direct wordt gecontroleerd door de sterkte van de ruis; sterkere ruis laadt de batterij sneller op. Echter, de totale hoeveelheid opgeslagen energie hangt vooral af van de grootte van de energiekloof tussen de opslagdot en de andere dots. De onderzoekers bevestigden dat de batterij kan worden heropgeladen nadat deze is gebruikt, waarbij de tijd ongeveer gelijk is aan de eerste lading, wat suggereert dat deze herhaaldelijk kan worden gebruikt. Hoewel het huidige model werkt met één enkel elektron, suggereren de auteurs dat het opschalen hiervan naar vele elektronen of meerdere batterijen die parallel draaien, tot praktische apparaten kan leiden. Dit werk vestigt de conclusie dat lokale dephasering, vaak gezien als een probleem, kan worden ingezet als een hulpbron om kwantumbatterijen op te laden en van stroom te voorzien, wat een nieuwe weg biedt naar het opslaan van energie in de kwantumwereld.