Forskare presenterar ett kvantbatteri som bryter mot reglerna för konventionell laddning

Forskare vid Australiens nationella forskningsorgan CSIRO har byggt en prototyp av ett kvantbatteri som laddas snabbare ju större det blir – raka motsatsen till vad som händer med konventionella batterier. Forskarna har också visat att enheten kan alstra elektrisk ström, vilket för konceptet ett steg närmare ett fungerande energilagringssystem.

Det ovanliga batteriet har utvecklats av kvantforskaren James Quach och hans team. Istället för att förlita sig på kemiska reaktioner använder det kvanteffekter för att absorbera och lagra energi. Prototypen bygger på en optisk mikrokavitet bestående av två små speglar placerade cirka 100 nanometer från varandra – ungefär tusen gånger tunnare än ett människohår. Utrymmet mellan dem är fyllt med organiska färgmolekyler och belyses med en laser.

Växelverkan mellan ljuset och molekylerna skapar hybridtillstånd mellan ljus och materia som kallas polaritoner. Det ger också upphov till ett fenomen som kallas superabsorption, där molekylerna börjar agera kollektivt istället för att absorbera energi var för sig. Ju fler molekyler det finns, desto snabbare kan de absorbera energi – vilket innebär att ett större kvantbatteri kan laddas snabbare än ett mindre.

Prototypen laddas på femtosekunder och kan behålla den lagrade energin i nanosekunder, ungefär en miljon gånger längre än laddningsprocessen. Den mängd energi som den kan lagra är dock fortfarande mycket liten, endast några miljarder elektronvolt, så att använda ett sådant batteri i en smartphone eller elbil är för närvarande långt ifrån möjligt.

Det senaste genombrottet är att forskarna har lagt till ytterligare ett skikt som gör det möjligt för dem att utvinna en elektrisk ström från kvantbatteriet. Teamet analyserar fortfarande resultaten och planerar att publicera detaljerna i en vetenskaplig artikel.

En stor fördel med denna metod är att den fungerar vid rumstemperatur. Andra kvantbatterikonstruktioner baserade på supraledande material kräver temperaturer under cirka −150 °C, vilket gör dem betydligt mindre praktiska utanför specialiserade miljöer.

Den mest troliga tidiga tillämpningen för kvantbatterier är därför kvantdatorer. Quach tror att tekniken på sikt skulle kunna minska energiförbrukningen hos kvantdatorer samtidigt som den gör dem snabbare och mindre benägna att göra fel, vilket potentiellt kan bidra till att skala upp tekniken.

Den största utmaningen är fortfarande att ta reda på hur man kan utvinna den lagrade kvantenergin i en stabil, kontrollerad och användbar form. Forskarna varnar också för att kvanteffekter är ömtåliga och kan störas av omgivningen. Forskarna utforskar även hybridkonstruktioner som kombinerar kvantkomponenter för snabb laddning med konventionella skikt som kan lagra energi under längre perioder.

Det senaste experimentet visar dock något som låter nästan absurt ur ett konventionellt batteriperspektiv: att göra batteriet större kan faktiskt få det att ladda snabbare.