量子电池内部的相互作用是其充电优势的关键

莫纳什大学最近的理论研究让我们离现实的“量子电池”又近了一步。

这种技术将依赖于不同量子态所提供的能量差异，而不是像传统电池那样依赖于电化学变化。

量子电池还提供了大大提高热力学效率和超快充电时间的潜力。

A/ Meera Parish教授(莫纳什大学)

这项研究是由FLEET的研究团队共同领导的米拉教区而且Jesper Levinsen将早期研究扩展到独立的量子电池，以考虑具有内在相互作用的更现实的多体系统。研究人员表明，相互作用的量子电池比单独的电池充电更快。

制造更好的(量子)电池

随着移动计算的普及，人们对更高效、更快充电的电池也有了相应的需求。

量子电池提供了一种可能的未来，量子纠缠(爱因斯坦著名的“幽灵般的超距作用”)提供了远远超过(经典)技术的性能潜力。

任何“电池”的关键在于它的“充电”和“未充电”状态之间的区别。在像iPhone锂电池组这样的电化学电池中，这代表了存储电荷的差异。在雪河驱动水力发电方案中，这是存储在高海拔和低海拔的水之间的差异。无论哪种情况，储存的能量都可以用来做功。

然而，像这样的“经典”电池只在理论热力学极限的一小部分下工作。

在量子电池中，这种差异将取决于量子纠缠:具有相同量子波形的粒子之间的量子联系。一对纠缠量子电池的性能要比单个纠缠量子电池的性能好得多，事实上在理论上，足够多的纠缠量子电池的性能可以接近热力学极限的100%。

理论上，纠缠增强量子电池的功率增加使量子电池的充电速度比经典电池快得多。

的工作

三种不同的收费模式

以前对量子电池的研究假设了离散的、独立的量子系统，该系统依赖于全局的多体相互作用，以实现充电电量方面的量子优势。

莫纳什大学最近的研究考虑的是更现实的量子电池，具有内在的多体相互作用。

量子自旋链被认为是量子电池的一个有前途的平台。自旋链由一些排列在一维线上的自旋组成，自量子物理早期以来，自旋链一直是更复杂系统的重要而富有成效的模型。

研究人员发现，这种通过自旋-自旋相互作用连接的量子电池比非相互作用的电池充电更快。

在超冷原子气体中自旋链

有趣的是，研究人员还发现，这种电荷优势不是由于(量子或经典)相关性，因为在早期的工作中，而是由于自旋之间相互作用的平均场效应。

此外，在莫纳什大学的研究中，电池由局部电场充电，而不是通常的集体充电。

这项工作还展示了如何构建量子电池的能量结构，以提供超快速充电。

这项工作展示了现实凝聚态系统与量子热力学的融合，最终可能实现多体量子电池。

这也是电池第一次被认为是由当地应用领域充电，而不是通常的集体充电。

这项研究中,多体量子电池的自旋链模型，由Thao P. Le共同领导，发表于物理评论A2018年2月。

资助和合作

莫纳什大学量子物质理论小组。从左至右:Emma Laird, Jesper Levinsen, Tom Kirk, Meera Parish, Zheyu Shi, Shimpei Endo。

这项研究是由三星这是一个研究下一代量子电池项目的一部分。合作旨在确定微观结构，以优化每个模型的充放电功率。梅拉·帕里什说:“这将导致原理验证实验，并向设计接近自然基本极限的电池又迈进了一步。”

这项工作还得到了一个澳大利亚研究理事会未来奖学金。

该公司与三星先进技术研究所(Samsung Advanced Institute of Technology)合作，研究了量子多体系统，旨在设计具有更大能量存储和更高充电功率的电池。

非平衡物理和FLEET

迫使量子电池进入一个新的“带电”状态代表了非平衡物理的一个例子，在这种情况下，系统“被迫”脱离平衡，进入一个临时状态。

这是一个相对较新的、令人兴奋的领域，也是材料工程的一个范式转变。

在舰队，非平衡机制的研究人员在中心研究主题三，光转化材料，以实现电流的零电阻路径为目标，这是该中心发展新一代超低能耗电子产品的使命之一。

例如，短而强烈的光爆发可以用来暂时迫使物质采用一种新的、独特的拓扑状态或转变为超流体状态。

所达到的强迫状态只是暂时的，但研究人员在观察材料在几微秒内在自然状态和强迫状态之间转换时，了解了大量关于拓扑绝缘体和超流体的基本物理知识。

Meera Parish和Jesper Levinsen在FLEET的研究主题3中的研究寻求理解和控制量子物质中粒子之间的相互作用，包括:

FLEET是澳大利亚研究委员会资助的研究中心，汇集了100多名澳大利亚和国际专家，开发新一代超低能耗电子产品。

量子物质理论小组目前正在招聘一名博士职位研究超冷原子气体的物理学。

进一步的细节

莫纳什大学物理和天文学院，克莱顿维克