Современные технологии обладают рядом характеристик, которые в той или иной степени влияю на формирование общества и жизни человека. Одной из них является «мобильность». Телефоны, компьютеры, умные часы и т. д. — все эти устройства способны работать без необходимости в постоянном подключении к электросети. Благодаря современным аккумуляторам время автономной работы становиться дольше, а время, необходимое для зарядки, сокращается. Но эти показатели могут стать еще лучше, если сместить свое внимание от классической химии в сторону квантовой физики. Ученые из Мельбурнского королевского технологического университета (Мельбурн, Австралия) разработали первый в мире прототип квантового аккумулятора. Из чего он создан, каков принцип его работы, и насколько он превосходит классические аккумуляторы? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Внедрение квантовых технологий, обладающих уникальными и зачастую противоречащими интуиции преимуществами по сравнению с классическими аналогами, открывает захватывающие перспективы как для коммерческого применения, так и для развития фундаментальной квантовой физики. Хотя исторически наибольшее внимание привлекали квантовые вычисления, сейчас появляются и другие перспективные квантовые технологии с явными квантовыми преимуществами, такие как квантовые датчики, квантовые симуляторы и квантовые батареи (QB от quantum battery). В каждом из этих вариантов квантовое преимущество обусловлено запутанностью. В квантовых батареях запутанность служит для минимизации количества пройденных состояний во время зарядки или для запуска коллективных эффектов, которые увеличивают эффективную связь между батареей и ее источником энергии. Следовательно, теоретически предполагается, что они будут обладать экзотическими свойствами, такими как мощность зарядки, которая масштабируется быстрее, чем емкость батареи (т.е., сверхэкстенсивно), а также увеличенные ограничения на плотность энергии и срок службы. Несмотря на обширную литературу по теории квантовых батарей, существует очень мало экспериментов. В этих экспериментах исследовались только изолированные свойства квантовой батареи, и ни один из них не продемонстрировал полностью функционирующую квантовую батарею.

Квантовые батареи представляют собой экспериментальную площадку для проверки термодинамики за пределами классического предела, где ограничения на передачу энергии и генерацию тепла могут быть преодолены с помощью квантовых корреляций и квантовых флуктуаций. Сверхпоглощение энергии света, обращение времени сверхизлучения, является примером более быстрой, чем в классической, передачи энергии, которая недавно была продемонстрирована в квантовых батареях, состоящих из холодных атомов, а также органических молекул в оптическом резонаторе. В оптическом микрорезонаторе сверхпоглощение облегчалось молекулярными корреляциями, вызванными коллективной связью с основной модой ограниченного электромагнитного поля. Для N молекул эта связь масштабировалась как √N, так что время зарядки масштабировалось обратно пропорционально 1/√N. Это контринтуитивный результат, запрещенный в классической термодинамике.

Обширная литература описывает улучшенные свойства поглощения света и генерацию фототока в фотодиодах при их встраивании в оптические микрорезонаторы. Было предложено несколько механизмов для объяснения повышения производительности микрорезонаторных солнечных элементов, включая более эффективное улавливание света, уменьшение беспорядка и более длительное время жизни носителей заряда. Однако всестороннее обоснование повышения эффективности микрорезонаторов остается открытым вопросом. Меньше внимания уделялось роли коллективных эффектов, вызванных микрорезонаторами, в извлечении электрической энергии, поскольку ожидается, что эти квантовые корреляции быстро затухают при комнатной температуре. Тем не менее эти механизмы, являющиеся центральными для концепции суперпоглощения, потенциально могут предложить новые идеи и достижения в исследованиях микрорезонаторных солнечных элементов.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые разработали сверхпоглощающую квантовую батарею, которая заряжается беспроводным способом от когерентного или некогерентного источника света и выдает сверхмощную электрическую энергию. Квантовая батарея имеет многослойную микрорезонаторную конструкцию (1a), настроенную на резонансную частоту перехода из основного состояния в первое возбужденное синглетное состояние молекулы-поглотителя, фталоцианина меди (CuPc), для создания сильной связи света и вещества.

Используя сверхбыструю спектроскопию, ученые показали, что скорость зарядки сверхмощно зависит от количества молекул-поглотителей. При зарядке энергия быстро передается в метастабильное триплетное состояние в CuPc, заселенность которого сохраняется на шесть порядков дольше, чем длительность импульса лазерной зарядки. Извлечение электрической энергии облегчается слоями переноса заряда, которые создают как градиент энергии, способствующий разделению и переносу заряда, так и функцию блокировки заряда, подавляющую нежелательную рекомбинацию.

Для стационарного некогерентного источника света сильная связь света и материи обеспечивает выходную электрическую мощность, которая сверхэкстенсивно зависит от емкости батареи. Это новое явление тесно связано с сильной связью света и материи, лежащей в основе работы квантовой батареи, но может найти полезное применение в других фотоэлектрических устройствах, таких как солнечные элементы с резонаторным усилением.

Интегрируя сверхэкстенсивную зарядку, метастабильное хранение энергии и сверхэкстенсивный выход электрической мощности в одном устройстве, ученым удалось создать прототип основы для практических квантовых батарей.

Результаты исследования

Структура устройства

Изображение №1

Ученые изготовили восемь квантовых батарей (обозначенных D1–D8) на основе микрорезонаторов Фабри-Перо, оптическая длина которых была настроена на частоту поглощения ансамбля молекул CuPc. Количество поглотителей CuPc (N) было отрегулировано в каждом устройстве таким образом, чтобы N ≈ 2.8 × 1014 для самой маленькой батареи и N ≈ 7.9 × 1014 для самой большой батареи. Для облегчения извлечения энергии из каждого устройства в виде электрического тока была включена комбинация донора-акцептора заряда CuPc и фуллерена (C60), а также подходящий выбор оптически инертных материалов, блокирующих и транспортирующих электроны и дырки, которые были интегрированы в резонатор.

Схема устройства (1a) указывает направление лазерного облучения. Для каждого устройства были изготовлены две идентичные структуры без верхнего и нижнего серебряных зеркал, которые служили соответственно оптическим и электрическим контролем. Для минимизации вариабельности параметров контрольные образцы были изготовлены на той же подложке и в том же цикле изготовления, что и соответствующие резонаторные устройства D1–D8. На 1b схематически показаны рабочие функции и энергетические уровни HOMO/LUMO для каждого слоя резонаторного устройства. Состав слоя создает градиент энергии внутри резонатора, который облегчает разделение зарядов экситонов, созданных сверхпоглощением в слое CuPc. В частности, фотовозбужденные синглетные экситоны (или поляритоны) быстро релаксируют в триплетные экситоны, которые диффундируют к границе раздела C60. На границе раздела могут формироваться межфазные состояния переноса заряда перед окончательным разделением на свободные заряды. Слои, блокирующие дырки и электроны, создают кинетический барьер для зарядов, распространяющихся в обратном направлении, в результате чего генерируется фототок, который проходит между верхним серебряным катодом и анодом из ITO устройства. Состав слоев был выбран для максимизации электрических характеристик квантовой батареи без существенного отклонения основной частоты резонатора от Q-диапазона CuPc.

Каждая молекула CuPc представляет собой трехуровневую систему, в которой первое возбужденное синглетное состояние S1 отделено от основного состояния S0 примерно на 2 эВ, а нижележащее триплетное состояние T1 находится примерно на 1.2 эВ выше S0. Расщепление Давыдова возбужденного синглета возникает из-за мультипольных взаимодействий между соседними хромофорами, характерных для большинства тонких пленок фталоцианина. Эта особенность хорошо видна в измерениях отражения оптических устройств без резонатора (черная кривая на 1c) и проявляется в виде двух слабо расщепленных сигналов, которые были обозначены как S01 и S11, с приблизительно равными силами осцилляторов. В присутствии резонатора эти полосы поглощения сильно гибридизуются с основной модой локализованного фотонного поля, что приводит к образованию верхнего (UP), среднего (MP) и нижнего (LP) поляритонных состояний (красная кривая на 1c). Систематически изменяя количество молекул CuPc в смешанном слое CuPc:C60 при фиксированной длине резонатора, ученые смогли регулировать расщепление Раби между поляритонными ветвями в зависимости от N. Значение N оценивалось с помощью стехиометрического анализа толщины слоев, точность которого составляет ~1 нм. В результате регулирования концентрации CuPc и толщины слоев основная частота резонатора не оставалась постоянной для всех устройств, что приводило к смещению асимметрии в полосах отражения UP и LP. Тем не менее теоретическая модель очень хорошо описывала оптический отклик каждого устройства, из которого можно было извлечь критические параметры устройства, такие как расстройка резонатора и коллективная связь света с материей. Кроме того, был проанализирован спектральный состав поляритонных ветвей каждого устройства в зависимости от расстройки резонатора.

На 1d показан спектр отражения квантовой батареи в зависимости от угла падения. На него наложены теоретически предсказанные три поляритонных состояния. Для сравнения, на 1e показан спектр отражения контрольного образца без резонатора, на который наложены два электронных состояния, расщепленных по Давыдову. Молекулярный отклик на некогерентное световое поле не показывает зависимости от угла падения светового поля, когда оно не связано с резонатором. Таким образом, слабая зависимость от угла в отклике, связанном с молекулой и резонатором (1d), является признаком гибридизации экситона и фотона и дополнительным свидетельством существования экситон-поляритонов.

Сверхинтенсивная зарядка фотонами

Для выявления динамики свойств сверхинтенсивной зарядки квантовых батарей была использована сверхбыстрая переходная спектроскопия — метод, позволяющий исследовать электронную и колебательную эволюцию в молекулах и полупроводниках в фемтосекундном временном масштабе. В экспериментах лазерный импульс накачки с полосой пропускания ~31 нм, резонансный с LP-ветвью, индуцирует возбуждения в квантовой батарее, временная эволюция которых отслеживается с помощью задержанного зондирующего импульса, резонансного с UP-ветвью. Используя эту схему, можно отслеживать временную динамику заселенности возбужденных состояний. При сравнении сверхбыстрой динамики в разных устройствах поддерживалось постоянное соотношение между падающими фотонами в лазерном импульсе и молекулами поглотителя в объеме лазера.

Изображение №2

На 2a (оранжевые квадраты) показана заселенность возбужденных состояний типичной квантовой батареи, где каждая точка данных представляет собой среднее значение 25000 измерений. На эти экспериментальные точки данных наложена теоретическая полная заселенность возбужденных состояний CuPc, которая рассчитывается путем суммирования заселенности первых возбужденных синглетных состояний (S01; S11) и триплетного состояния (T1). В данной сверхбыстрой модели использовались частоты резонатора и коллективные связи для каждого устройства, полученные из экспериментов по стационарному отражению, что обеспечивает согласованность теоретического описания обоих наборов экспериментов и вывода динамики заселенности возбужденных состояний. Наблюдается хорошее соответствие между экспериментальными данными и теоретически предсказанными заселенностями. Используя известные значения энергии синглетного и триплетного состояний, была рассчитана полная энергия системы из их заселенности возбужденных состояний (зеленая линия на 2a).

Для каждого устройства на 2b суммированы оценочное количество поглотителей CuPc (N) в сечении лазерного излучения накачки, максимальная запасенная энергия на один поглотитель (Emax), время достижения половины максимальной энергии, начиная с 1/e2 гауссова лазерного импульса (τ), и пиковая плотность мощности заряда (Pmax = Emax/τ). Эти значения показаны на 2c–2e. Изменения в составе устройства при изменении N неизбежно приводили к небольшим различиям в резонансах резонатора и добротности, но не влияли на общую интерпретацию результатов. Чтобы выяснить, обусловлены ли сверхэкстенсивные тенденции нелинейностями в резонансах резонатора и добротности, а не коллективной связью, был построен график (сплошные линии на 2c–2e) теоретических предсказаний для гипотетических устройств с фиксированным резонансом резонатора (Δc = 1.87 эВ) и фиксированной скоростью утечки фотонов (κ = 33/пс), полученных путем усреднения этих параметров по восьми устройствам. Поскольку предсказания для гипотетических устройств по-прежнему показывают сверхэкстенсивное масштабирование в зависимости от N, можно сделать вывод, что нелинейности в резонансах резонатора и добротности не вносят доминирующего вклада в сверхэкстенсивное масштабирование, наблюдаемое в устройствах D1–D8. Из-за этих расхождений экспериментальные данные отклоняются от графика теоретического устройства с усредненными свойствами резонатора. В частности, D8 наиболее сильно отклоняется от этих средних значений, поскольку это устройство демонстрирует наибольшее отклонение от резонансов Давыдова, что объясняет его относительно низкие значения Emax и Pmax (которые выходят за пределы диапазона графиков на 2c–2e). Тем не менее наблюдается сверхзначительное увеличение мощности зарядки и плотности энергии, сопровождающееся незначительным увеличением времени зарядки. В этом контексте следует напомнить, что такое свойство, как плотность энергии, которое классифицируется как интенсивное свойство согласно классической термодинамике, оставалось бы постоянным при увеличении N в обычных устройствах хранения энергии при условии, что состав устройства остается неизменным.

Стабилизация запасенной энергии

Изображение №3

Далее были проведены измерения динамики долговременного распада батарей, используя спектрально широкий суперконтинуумный зонд с шириной спектра 500–1000 нм. Репрезентативный спектр D5 приведен на 3a. Положительные (красные) сигналы в спектрах переходного отражения являются результатом обесцвечивания основного состояния, а отрицательные (синие) — результатом дифференциального отражения от поглощения возбужденного состояния. Каждое устройство с резонатором демонстрирует сигналы дифференциального отражения, которые сохраняются в течение десятков наносекунд, показывая, что возбужденное состояние остается заселенным на шесть порядков дольше, чем время зарядки устройства. Эти длительные времена жизни возбужденного состояния обусловлены внутримолекулярной релаксацией синглетных возбуждений до метастабильных триплетных возбуждений, как показано на 3b. Примерно через 200 фс межсистемное пересечение (ISC от intersystem crossing) становится доминирующим механизмом релаксации синглетного состояния, образуя метастабильные триплетные возбуждения с типичным временем жизни порядка 10–50 нс. Это на три порядка больше, чем у эквивалентных современных микрорезонаторных квантовых батарей, работающих при комнатной температуре. Примечательно, что измеренное здесь время сохранения заряда значительно короче, чем у квантовых батарей на основе NMR, которые также работают при комнатной температуре и, как было показано, остаются заряженными до двух минут. Эффективность этого механизма преобразования повышается за счет спин-орбитальной связи центрального иона металла Cu2+, которая инвертирует спин возбужденного электрона фталоцианина. Таким образом, система блокируется от релаксации из триплетного состояния T1 в синглетное основное состояние S0 за счет исключения Паули, что приводит к метастабилизации энергии в квантовой батарее. На 3c показана долговременная эволюция популяций возбужденных состояний CuPc.

Сверхинтенсивный разряд электрической энергии

Изображение №4

Контролируемое извлечение накопленной энергии является необходимой характеристикой батарей. Например, для питания небольшого электронного устройства желательно, чтобы извлеченная энергия была доступна в виде электрической работы. На 4a и 4b показано отношение числа выбитых электронов к числу падающих фотонов, или внешняя квантовая эффективность (EQE от external quantum efficiency), для контрольных образцов с резонатором и без него. Сравнение двух рисунков показывает, что устройства с резонатором демонстрируют трехкратное увеличение по сравнению с контрольными образцами без резонатора. Поляритонные ветви также видны в измерениях EQE для резонатора. Несмотря на скромное увеличение квантовой эффективности, наблюдаемое до сих пор, конструкция квантовой батареи с резонатором открывает многообещающий путь к значительному улучшению преобразования фотонов в заряд, дополняя и расширяя традиционные стратегии оптимизации материалов.

Помимо EQE, ученые исследовали разрядную мощность устройств. На 4c показаны вольт-амперные характеристики (I–V) для контрольного образца D5 с полостью и без полости (красные линии), а также их установившаяся разрядная мощность (синие линии). Оптимальная рабочая точка для извлечения энергии находится на пике кривой разрядной мощности. Устройства продемонстрировали приемлемые максимальные плотности разрядной мощности от 10 до 40 мкВт·см2 по сравнению с высокоэффективными микросуперконденсаторами, которые демонстрируют плотности мощности 30.2 и 176.5 мкВт·см2. Ученые исследовали отношение пиковой разрядной мощности с полостью к пиковой мощности без полости, Pmaxc / Pmaxnc; поскольку контрольные образцы с полостью и без полости были изготовлены на одной и той же подложке, это отношение учитывает вариации между циклами изготовления и изменение динамики носителей заряда CuPc из-за различной концентрации C60 в разных устройствах. На 4d наблюдается линейное увеличение Pmaxc / Pmaxnc с ростом N, что указывает на сверхэкстенсивную мощность разряда в квантовых батареях с резонаторами. Для сравнения, постоянное отношение мощности разряда, большее единицы и не зависящее от N, указывало бы на несверхэкстенсивное усиление. Такая сверхэкстенсивная мощность разряда ранее не была описана и предполагает коллективное усиление, обусловленное сильной связью света и материи в квантовых батареях.

Микроскопическая природа сверхинтенсивного электрического разряда обусловлена поляритонным преобразованием переходов в возбужденные синглетные состояния CuPc, индуцированным микрорезонатором. Поскольку энергия преобразованного состояния масштабируется с числом поглотителей как √N, напряжение холостого хода также возрастает в соответствии с √N. Это позволяет фототоку сохраняться при более высоких приложенных напряжениях, что приводит к максимальной мощности разряда, масштабируемой как Pmaxc ~ N2. Используя новую модель квантовой батареи, учитывающую перенос заряда между окислительно-восстановительными состояниями хромофоров, ученые выявили переход между линейным и сверхлинейным режимами мощности электрического разряда, который происходит именно тогда, когда квантовая батарея переходит в режим сильной связи. Такие методы, как многомерная когерентная спектроскопия и сверхбыстрые измерения фототока, могут дать дополнительное представление о микроскопических механизмах, определяющих это усиление.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые представили первый в мире прототип основы для квантового аккумулятора. В отличие от обычных аккумуляторов, которые зависят от химических реакций, квантовые аккумуляторы основаны на необычных принципах квантовой физики. Они используют такие эффекты, как суперпозиция и взаимодействие света и электронов, что может обеспечить гораздо более быструю зарядку и большую емкость хранения энергии.

Первым открытием данного исследования стало то, что квантовые батареи заряжаются быстрее по мере увеличения их размера. Это поведение резко контрастирует с традиционными батареями, эффективность которых не повышается с увеличением размера. Открытие указывает на потенциальный путь к созданию более мощных и эффективных энергетических систем.

Квантовые батареи работают, используя основные принципы квантовой механики, включая суперпозицию и запутанность, а не химические процессы, используемые в современных батареях. Сам прототип представляет собой небольшое многослойное органическое устройство. Его можно заряжать беспроводным способом с помощью лазера, демонстрируя, как можно передавать энергию без прямого физического контакта.

Созданный прототип еще далек от полноценного практического использования, но он является первым шагом к созданию аккумуляторов будущего. В дальнейшем ученые намерены продолжить свою работу, уделив больше внимания увеличению времени хранения заряда.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?