安鈞鴻講解量子電池原理

量子電池想象圖

“未來(lái)電池什么樣,？”“量子電池,！”

盡管“量子電池”這一名詞大多數(shù)人還聞所未聞，但科學(xué)家們已經(jīng)在探索的路上,。蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院安鈞鴻教授及其合作者提出的抗老化遠(yuǎn)距離充電量子電池方案,，或許會(huì)成為未來(lái)電池變革的關(guān)鍵一環(huán)。近期,，這一研究成果以“Remote charging and degradation suppression for quantum battery（遠(yuǎn)程充電與老化抑制量子電池）”為題,，發(fā)表在物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上,，引起了學(xué)界和媒體的高度關(guān)注。

量子電池或會(huì)突破經(jīng)典電池極限

從1799年意大利物理學(xué)家伏特制成世界上第一個(gè)電池“伏特電堆”起,，過(guò)去的200多年間,，電池都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。

“隨著能源需求日益增長(zhǎng),，人們期待具有更小尺寸,、更高電容、可更快充電和更大可提取功的電池出現(xiàn),?！卑测x鴻主要從事量子光學(xué)、量子信息及非平衡量子統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)研究,，問(wèn)及做量子電池研究的初衷,，他告訴記者，希望以量子物理特有的效應(yīng),，以微觀系統(tǒng)自下而上地像搭積木一樣的制備工藝,，來(lái)突破目前經(jīng)典電池的性能極限。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。

與此同時(shí),，電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制下的電池,，過(guò)去常有充電過(guò)程中起火的事件見(jiàn)諸報(bào)端，從而引發(fā)環(huán)境問(wèn)題,?！傲孔与姵夭恍枰V諸電化學(xué)反應(yīng)，它是通過(guò)原子的激發(fā)狀態(tài)來(lái)儲(chǔ)存能量,，也即能量存儲(chǔ)在原子中電子的激發(fā)態(tài),，所以量子電池綠色無(wú)污染、可持續(xù)使用,，非常安全,。”（注：原子能量狀態(tài)包括基態(tài)和激發(fā)態(tài),?；鶓B(tài)是指原子處于最低能量狀態(tài)，此時(shí)原子的電子處于基態(tài)能級(jí)上,，原子沒(méi)有吸收任何能量,；而激發(fā)態(tài)則是指當(dāng)原子吸收能量而達(dá)到的狀態(tài)，此時(shí)原子的電子躍遷到更高的能級(jí)上,，與其他原子或分子發(fā)生作用會(huì)返回基態(tài)能級(jí),。）

此前研究面臨兩大挑戰(zhàn)

“量子電池尚處于基礎(chǔ)研究階段,，目前還不能解決行業(yè)、產(chǎn)業(yè)面臨的問(wèn)題,，還僅是科學(xué)前沿研究,，為未來(lái)的電池提供一種可能的解決辦法?！卑测x鴻說(shuō),。

在安鈞鴻等人提出抗老化、遠(yuǎn)距離充電量子電池方案之前,，量子電池研究在快速發(fā)展,，但是距離實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用仍面臨兩大挑戰(zhàn)：首先是量子電池的老化?！傲孔有?yīng)非常脆弱,，若受環(huán)境影響，量子效應(yīng)極易喪失,?！卑测x鴻解釋說(shuō)，量子電池能量?jī)?chǔ)存于原子中電子的激發(fā)態(tài),，但激發(fā)態(tài)持續(xù)時(shí)間極其短暫,，背景環(huán)境影響之后，會(huì)自發(fā)向外輻射電磁波,。這在量子力學(xué)中被叫作量子退相干,，會(huì)導(dǎo)致量子電池因喪失能量而老化。

其次是量子電池充電效率降低?，F(xiàn)在普遍采用量子充電器和量子電池之間的相互作用,，將充電器中的能量傳遞給電池來(lái)充電。不過(guò),，這種相互作用是原子之間的相互作用,，作用距離僅為10的-10次方米（即1埃米，等于1/10納米）的量級(jí),，超出這個(gè)距離則相互作用變得極其微弱,，導(dǎo)致充電效率低下。

實(shí)現(xiàn)量子電池遠(yuǎn)距離“類(lèi)無(wú)線”充電

為了同時(shí)克服前述兩大挑戰(zhàn),，安鈞鴻與他在湖北大學(xué),、中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量院的合作者們提出了一種新型的量子電池方案。

與普遍采用的方案不同,，此方案采用了一種非接觸式的遠(yuǎn)距離“類(lèi)無(wú)線”充電。它是在一個(gè)真空的矩形中空金屬波導(dǎo)管（可導(dǎo)引電磁波）中,，放入分別作為量子充電器和量子電池的兩個(gè)原子,。充電時(shí)，充電器中處于激發(fā)態(tài)的電子將“掉”到基態(tài),，能量以電磁波形式在波導(dǎo)管中沿垂直面輻射傳遞給量子電池,，量子電池吸收之后被“充”到激發(fā)態(tài),。

這一過(guò)程突破了微觀系統(tǒng)相互作用的空間尺度，量子充電器和量子電池的間距從10的-10次方米甚至能擴(kuò)大到10的-2次方米的厘米級(jí),，還可產(chǎn)生有效的能量轉(zhuǎn)移,。這是了不起的突破！比之之前,，已經(jīng)是很大的宏觀距離,。“好比在彈床上的兩個(gè)小孩兒,，一個(gè)跳,，另一個(gè)也會(huì)彈起，這不奇怪,；奇怪的是,，現(xiàn)在是將他們放入大海中，還會(huì)發(fā)生這樣持續(xù)的關(guān)聯(lián),?！?/p>

過(guò)去普遍認(rèn)為，通過(guò)環(huán)境這一第三媒介,，量子充電器和量子電池之間不可能產(chǎn)生能量交換,，只會(huì)發(fā)生量子退相干。而安鈞鴻他們的研究恰恰證明,，利用波導(dǎo)管中的真空電磁場(chǎng)誘導(dǎo)的量子退相干,，恰恰可以實(shí)現(xiàn)免受老化影響的持續(xù)能量交換，實(shí)現(xiàn)了近理想的充電,。

通過(guò)這一方案,，有效地解決了量子電池的能量耗散和距離限制兩大問(wèn)題，為進(jìn)而推動(dòng)量子電池的物理實(shí)現(xiàn)提供了理論支撐,。也是該團(tuán)隊(duì)繼2021年利用波導(dǎo)制備作為量子精密測(cè)量重要資源的自旋壓縮后的又一重要結(jié)果,。

引發(fā)國(guó)外媒體關(guān)注

安鈞鴻他們的這項(xiàng)研究工作是自2023年春節(jié)期間開(kāi)始的，去年8月論文送審期間,，已受到國(guó)外媒體的關(guān)注,。英國(guó)科技新聞雜志《新科學(xué)家》在去年9月就進(jìn)行了報(bào)道。當(dāng)今年2月論文發(fā)表后,，《自然》雜志作“亮點(diǎn)研究”報(bào)道,。其后，國(guó)際科技新聞門(mén)戶網(wǎng)站“世界科技研究新聞信息網(wǎng)（Phys.org）”和美國(guó)相關(guān)知名技術(shù)和創(chuàng)新媒體,，也相繼對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行了較為詳盡的報(bào)道,。國(guó)外媒體的關(guān)注出乎安鈞鴻及其合作者的預(yù)料,。

為什么這項(xiàng)研究會(huì)這么“吸睛”？安鈞鴻認(rèn)為是當(dāng)今出現(xiàn)的量子電池?zé)?。世界范圍?nèi)處于量子科技的快速發(fā)展時(shí)期,，此前人們的關(guān)注點(diǎn)更多的是在信息，比如量子計(jì)算機(jī)和量子通訊,。而現(xiàn)在,，更多的關(guān)注點(diǎn)是在能量上，期待以量子效應(yīng)產(chǎn)生一些變革性的儲(chǔ)能供能新技術(shù),。另外一點(diǎn)就是“類(lèi)無(wú)線”充電,，“我們的研究剛好滿足了人們對(duì)無(wú)線充電的期待，既讓能量在波導(dǎo)管中定向傳遞,，提高了量子電池的效率,；又不會(huì)造成電磁輻射，綠色環(huán)保,。我和我的合作者們開(kāi)玩笑說(shuō),，我們的工作是做到外國(guó)人的‘心縫縫’里去了?！?/p>

量子科技將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革

“當(dāng)然,，沒(méi)有任何一個(gè)電池是由一個(gè)原子組成的，要將其變成一個(gè)器件,，仍需解決大量原子的集成問(wèn)題,。這就是我們下一步的工作?！卑测x鴻表示,，從“0”到“1”難，這是從無(wú)到有,；而從“1”到“100”,，至少已經(jīng)有了基礎(chǔ)原理，相對(duì)實(shí)現(xiàn)起來(lái)容易一些,。

“我們?cè)O(shè)想過(guò)很多方案實(shí)現(xiàn)集成,，其中一種是在導(dǎo)波裝置中，將量子電池像串糖葫蘆一樣串起來(lái),?！?/p>

“量子科技現(xiàn)在已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。國(guó)家為什么這么重視,？我想,，是在謀長(zhǎng)遠(yuǎn)。過(guò)去被‘卡脖子’，將來(lái)怎么能還被‘卡’,？”安鈞鴻說(shuō),，以量子通訊,、量子計(jì)算,、量子精密測(cè)量、量子模擬和量子材料為核心的量子科技可以在保障信息安全,、提高運(yùn)算速度,、提升測(cè)量精度等方面超越經(jīng)典技術(shù)的性能極限，成為信息,、能源,、安全和材料等領(lǐng)域重大技術(shù)突破的創(chuàng)新源泉。它將對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系進(jìn)行重構(gòu),，引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革,。

蘭州日?qǐng)?bào)社全媒體記者 何燕 實(shí)習(xí)生 劉弘婧   受訪者供圖

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