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Des études théoriques récentes à l'Université Monash nous rapprochent des batteries quantiques réalistes.
Une telle technologie dépendrait de la différence d'énergie offerte par différents états quantiques, plutôt que sur les changements électrochimiques, comme c'est le cas dans les batteries traditionnelles.
Les batteries quantiques offrent également un potentiel d'efficacité thermodynamique bien meilleure, et temps de charge ultra-rapide.
L'étude, qui a été co-dirigé par la paroisse Meera de FLEET et Jesper Levinsen a élargi les recherches antérieures sur les individus, batteries quantiques isolées pour envisager une approche plus réaliste, système à plusieurs corps avec interactions intrinsèques. Les chercheurs ont montré que les batteries quantiques en interaction se chargent plus rapidement que les batteries isolées.
Construire de meilleures batteries (quantiques)
Avec la prolifération de l'informatique mobile vient une demande correspondante pour toujours plus efficace, batteries à charge toujours plus rapide.
Les batteries quantiques présentent un avenir possible, avec intrication quantique (la fameuse "action effrayante à distance" d'Einstein), offrant un potentiel de performances dépassant de loin la technologie classique.
La clé de toute batterie est la différence entre son état chargé et non chargé. Dans les batteries électrochimiques telles que le pack lithium-ion d'un iPhone, cela représente une différence dans la charge électronique stockée. Dans le projet hydroélectrique de Snowy River, c'est la différence entre l'eau stockée à des altitudes plus élevées ou plus basses. Dans tous les cas, que l'énergie stockée est disponible pour être utilisée pour effectuer un travail.
Cependant, les batteries classiques telles que ces exemples ne fonctionnent qu'à une infime fraction des limites thermodynamiques théoriques.
Dans une batterie quantique, une telle différence dépendrait de l'intrication quantique :le lien quantique entre des particules ayant des formes d'onde quantiques identiques. Une paire de batteries quantiques enchevêtrées fonctionne bien mieux qu'une seule, en fait, en théorie, les performances d'un nombre suffisamment important de batteries quantiques enchevêtrées pourraient approcher 100 pour cent de la limite thermodynamique.
Trois paradigmes de charge différents. Crédit :FLOTTE
La puissance accrue d'une batterie quantique améliorée par enchevêtrement permet théoriquement aux batteries quantiques d'être chargées beaucoup plus rapidement que leurs homologues classiques.
Des recherches antérieures sur les batteries quantiques ont supposé des systèmes quantiques indépendants qui reposent sur des interactions à plusieurs corps afin d'obtenir un avantage quantique dans la puissance de charge.
La récente étude de Monash a plutôt considéré des batteries quantiques plus réalistes, avec des interactions intrinsèques à plusieurs corps.
Les chaînes de spin quantiques se sont avérées être une plate-forme prometteuse pour les batteries quantiques. Les chaînes de spins se composent d'un certain nombre de spins disposés sur une ligne unidimensionnelle et ont servi de modèle important et fructueux pour des systèmes plus complexes depuis les premiers jours de la physique quantique.
Les chercheurs ont découvert que de telles batteries quantiques, liés via des interactions spin-spin se chargent plus rapidement que leurs homologues sans interaction.
De façon intéressante, les chercheurs ont également découvert que cet avantage de charge n'était pas dû à des corrélations (quantiques ou classiques), comme cela a été le cas dans des travaux antérieurs, mais était plutôt dû à l'effet de champ moyen des interactions entre les spins.
De plus, dans l'étude Monash, les batteries ont été chargées par les champs locaux, au lieu de la charge collective habituelle.
Le travail montre également comment la structure énergétique des batteries quantiques peut être construite pour fournir une charge ultra-rapide.
Ce travail démontre la fusion de systèmes de matière condensée réalistes avec la thermodynamique quantique, aboutissant à des batteries quantiques à plusieurs corps potentiellement réalisables.
C'était aussi la première fois que la charge des batteries était supposée se faire par des champs appliqués localement, au lieu de la charge collective habituelle.
Chaînes de filage dans un gaz atomique ultra-froid. Crédit :FLOTTE
L'étude, Modèle à chaîne de rotation d'une batterie quantique à plusieurs corps, a été co-dirigé par Thao P. Le et publié dans Examen physique A en février 2018.
Physique hors équilibre et FLOTTE
Le forçage d'une batterie quantique dans une nouvelle, l'état chargé représente un exemple de physique hors équilibre, dans lequel les systèmes sont forcés de sortir de l'équilibre dans un état temporaire.
C'est relativement nouveau, et domaine passionnant, et un changement de paradigme dans l'ingénierie des matériaux.
Chez FLOTTE, les mécanismes de non-équilibre sont poursuivis par les chercheurs du thème de recherche 3 du Centre, matériaux transformés par la lumière, dans le but d'obtenir des chemins à résistance nulle pour le courant électrique, dans le cadre de la mission du Centre de développer une nouvelle génération d'électronique à ultra basse consommation.
Par exemple, court, des éclats de lumière intenses peuvent être utilisés pour forcer temporairement la matière à adopter un nouveau, état topologique distinct ou de passer à un état superfluide.
L'état forcé atteint n'est que temporaire, mais les chercheurs en apprennent énormément sur la physique fondamentale des isolants topologiques et des superfluides en observant le matériau se déplaçant entre les états naturel et forcé, sur une période de plusieurs microsecondes.
Les recherches de Meera Parish et Jesper Levinsen au sein du thème de recherche 3 de FLEET visent à comprendre et à contrôler les interactions entre les particules dans la matière quantique, comprenant:
FLEET est un centre de recherche financé par l'Australian Research Council et réunissant plus d'une centaine d'experts australiens et internationaux pour développer une nouvelle génération d'électronique à ultra basse consommation.
Le groupe Théorie de la matière quantique annonce actuellement un doctorat. position, étudier la physique des gaz atomiques ultrafroids.
