Исследователи представили новый многообещающий подход к созданию долговечных квантовых батарей с использованием хорошо известного дефекта в алмазе.

Квантовые батареи (QB) давно рассматриваются как потенциальная альтернатива классическим батареям. Они используют уникальные квантовые эффекты, такие как запутанность и суперпозиция, для более быстрой зарядки и увеличения выработки энергии.

Однако до сих пор их реальные результаты были неутешительными, в основном из-за декогеренции. Это явление, возникающее при взаимодействии квантовых систем с окружающей средой, приводит к тому, что аккумулятор теряет накопленную им энергию; этот процесс известен как саморазряд.

Исследователи из Университета Хубэй, Китайской академии наук и Университета Ланьчжоу предлагают конструкцию QB, построенную на основе так называемого NV-центра в алмазе. Группа ученых обнаружила, что NV-центр обладает внутренним преимуществом: он способен подавлять саморазряд без необходимости внешнего управления или квантового зарядного устройства.

«Было предложено несколько схем подавления саморазряда квантовых батарей, но для них требуется квантовое зарядное устройство, — сказал Джун-Хон Ан, один из ведущих авторов исследования. — Однако запутанность зарядного устройства и аккумулятора снизила бы эрготропию батареи».

Эрготропия — это максимальная полезная работа, которую можно извлечь из системы. При подключении квантовой батареи к зарядному устройству её эрготропия может снизиться.

Конструкция на основе NV-центра позволяет избежать этого компромисса, полагаясь на внутренние квантовые характеристики, в частности на сверхтонкое взаимодействие между электроном NV-центра и ядром азота.

Оптимизируя соотношение когерентной и общей эрготропии, батарея может дольше сохранять энергию и вырабатывать больше полезной работы.

«Практическая реализация и применение квантовых аккумуляторов сталкиваются с двумя серьёзными проблемами, — сказал Ан. — Одна из них — снижение эффективности зарядки из-за декогеренции в процессе зарядки. Вторая — спонтанная потеря энергии, называемая саморазрядом, вызванная декогеренцией в процессе хранения».