Costruita una batteria quantica superveloce

Ricercatori dell'Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr e del Politecnico di Milano hanno costruito una batteria che, seguendo le leggi della fisica quantistica, presenta un tempo di ricarica inversamente correlato alla quantità di energia immagazzinata. Possibili applicazioni per dispositivi come caricabatterie senza fili, celle solari e macchine fotografiche.

Il tasso in cui la materia emette o assorbe la luce può essere modificata dal suo ambiente, come notevolmente esemplificato dal fenomeno ampiamente studiato della superradianza. Il processo inverso, il sovrapposorbimento, è più difficile da dimostrare a causa delle sfide dei processi ultrafosti di sondaggio ed è stato visto solo per un piccolo numero di atomi. La sua idee centrale-ridimensionamento super estensivo di assorbimento, il che significa che i sistemi più grandi assorbono più velocemente, è anche l'idea chiave alla base di batterie quantistiche.

Le batterie quantiche sono una nuova classe di dispositivi di accumulo di energia che operano secondo i principi della fisica quantistica, la scienza che studia l'infinitamente piccolo dove non sempre valgono le leggi della fisica classica.

In questo nuovo progetto, pubblicato su Science Advances, (1) gli scienziati dell'Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr e del Politecnico di Milano, insieme ad altri gruppi di ricerca internazionali, implementano sperimentalmente un modello paradigmatico di una batteria quantistica, costruita in una microcavità che racchiude un colorante molecolare. La spettroscopia ottica ULTRAFAST consente di osservare le dinamiche di ricarica nella risoluzione in femtosecondi (unità di misura del tempo pari ad un milionesimo di miliardesimo di secondo) per dimostrare tassi di caricamento e capacità di stoccaggio super estensivi, in accordo con la modellizzazione teorica stilata dal team di ricerca. Si scopre che la decoerenza svolge un ruolo importante nella stabilizzazione dell'energia.

La dottoressa Tersilla Virgili (2) dell'Istituto di fotonica e nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ifn) e il dottor Giulio Cerullo (3) del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano hanno dimostrato che è possibile fabbricare un tipo di batteria quantica dove il potere di ricarica aumenta più velocemente aumentando la capacità della batteria.

«Le batterie quantiche presentano una proprietà contro-intuitiva in cui il tempo di ricarica è inversamente correlato alla capacità della batteria e cioè alla quantità di carica elettrica immagazzinata», spiega Virgili. «Ciò porta all'idea intrigante che il potere di carica delle batterie quantiche sia super-estensivo e cioè che aumenti più velocemente con le dimensioni della batteria». Il dispositivo fabbricato è una microcavità in cui il materiale attivo è costituito da molecole organiche disperse in una matrice inerte. «Ogni molecola rappresenta un'unità che può esistere in uno stato di sovrapposizione quantistica di due livelli di energia (fondamentale ed eccitato), simile al modo in cui un qubit, l'unità base di informazione quantistica, può essere sia 0 che 1 contemporaneamente nei computer quantistici», specifica Cerullo. Costruendo la batteria quantica in un modo in cui le unità possono esistere in sovrapposizione, il sistema totale può comportarsi collettivamente. Questo comportamento, noto come coerenza quantistica, consente alle unità di agire in modo cooperativo, dando origine a una carica iper-veloce che dipende dal numero delle molecole-unità. «In futuro questo tipo di dispositivo potrà essere applicato in vari ambiti scientifici e tecnologici come ad esempio caricabatterie senza fili, celle solari e macchine fotografiche», conclude Virgili.

Il lavoro degli scienziati apre le opportunità future per sfruttare gli effetti collettivi in un accoppiamento leggero per l'acquisizione di energia ad alta temperatura, lo stoccaggio e le tecnologie di trasporto.

Riferimenti:

(1) Superabsorption in an organic microcavity: Toward a quantum battery

(2) Tersilla Virgili

(3) Giulio Cerullo

Descrizione foto: Rappresentazione grafica di una batteria quantica. - Credit: Cnr-Ifn, Polimi.

Scheda

Che cosa: “Superabsorption in an organic microcavity: towards a quantum battery”

Chi: Cnr-Ifn, Polimi

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