近日，蘭州大學(xué)與湖北大學(xué)和中科院精密測量院合作提出抗老化的遠(yuǎn)距充電量子電池，相關(guān)研究成果以題為“Remote charging and degradation suppression for quantum battery”發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（《Physical Review Letters》）上。

       人們對能源日益增長的需求與環(huán)境問題的日益關(guān)注激發(fā)了對變革性儲(chǔ)供能裝置研究的興趣，人們期待通過微觀系統(tǒng)特有的量子特性與自下而上的制造工藝，形成具有更小尺寸、更強(qiáng)的充電功率、更高的充電容量和更大的可提取功的新原理儲(chǔ)供能裝置——量子電池。量子電池已成為以“調(diào)控量子態(tài)，實(shí)現(xiàn)新功能，發(fā)展新技術(shù)”為主旨的量子科技的主要應(yīng)用之一。不同于傳統(tǒng)電池的電化學(xué)反應(yīng)，量子電池通過微觀系統(tǒng)的量子能級(jí)存儲(chǔ)能量，是一種綠色無污染的可持續(xù)使用的儲(chǔ)供能裝置，有望成為替代當(dāng)今廣泛使用的電池的下一代技術(shù)。雖然近年來量子電池取得快速發(fā)展，但是它的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用仍然面臨兩大挑戰(zhàn)：一是環(huán)境誘導(dǎo)量子電池的退相干使其存儲(chǔ)的能量自發(fā)耗散，這被稱作量子電池的老化；二是量子電池普遍采用電池與充電器間的相干耦合來充電，但該充電方案敏感地受制于不可避免發(fā)生的退相干與電池-充電器間距的增大而面臨失效。

 

       為了同時(shí)克服這兩大挑戰(zhàn)，該工作提出了一種新型的量子電池方案。在該方案中，兩個(gè)二能級(jí)原子分別作為充電器和量子電池，被放置在一個(gè)矩形中空金屬波導(dǎo)中。充電器和量子電池的間距遠(yuǎn)大于能實(shí)現(xiàn)偶極-偶極相干耦合的有效距離。研究發(fā)現(xiàn)：利用波導(dǎo)中的真空電磁場這一共同環(huán)境誘導(dǎo)的非馬爾科夫退相干動(dòng)力學(xué)，可實(shí)現(xiàn)充電器與電池間免受老化影響的持續(xù)能量交換。該過程實(shí)現(xiàn)了量子電池非接觸式的遠(yuǎn)距“類無線”充電，也證實(shí)了退相干在建立電池-充電器間相干互聯(lián)中的建設(shè)性作用，有效地解決量子電池的能量耗散問題和距離限制問題。該工作為進(jìn)一步推動(dòng)量子電池的物理實(shí)現(xiàn)具有重要理論指導(dǎo)意義。

 

       該工作是該團(tuán)隊(duì)繼2021年利用波導(dǎo)制備作為量子精密測量重要資源的自旋壓縮后的又一重要結(jié)果，受到了國際科技媒體的廣泛報(bào)道。湖北大學(xué)宋婉露副教授為文章第一作者，湖北大學(xué)周斌教授、中科院精密測量院楊萬里研究員和蘭州大學(xué)安鈞鴻教授為聯(lián)合通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖北省創(chuàng)新團(tuán)體項(xiàng)目、湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目和湖北省杰青項(xiàng)目的支持。

 

       文章鏈接：Phys. Rev. Lett. 132, 090401 (2024) - Remote Charging and Degradation Suppression for the Quantum Battery (aps.org)