Le batterie che sfruttano i fenomeni quantistici per ottenere, distribuire e immagazzinare energia promettono di superare le capacità e l’utilità delle batterie chimiche convenzionali in certe applicazioni a bassa potenza. Per la prima volta, i ricercatori, inclusi quelli dell’Università di Tokyo, sfruttano un processo quantistico controintuitivo che ignora il concetto convenzionale di causalità per migliorare le prestazioni delle cosiddette batterie quantistiche, avvicinando questa tecnologia futuristica alla realtà.
Cosa sono le batterie quantistiche
Quando si sente la parola “quantico”, fisica che governa il mondo subatomico, gli sviluppi nei computer quantistici tendono a rubare la scena, ma ci sono altre tecnologie quantistiche emergenti che meritano attenzione. Una di queste è la batteria quantistica che, sebbene inizialmente sconcertante nel nome, detiene un potenziale inesplorato per soluzioni energetiche sostenibili e possibile integrazione nei futuri veicoli elettrici. Tuttavia, questi nuovi dispositivi sono pronti a trovare impiego in varie applicazioni portatili e a bassa potenza, specialmente quando le opportunità di ricarica sono scarse.
Attualmente, le batterie quantistiche esistono solo come esperimenti di laboratorio, e i ricercatori in tutto il mondo stanno lavorando sui diversi aspetti che si spera un giorno si combinino in un’applicazione pienamente funzionante e pratica. Lo studente di dottorato Yuanbo Chen e il professore associato Yoshihiko Hasegawa del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione e delle Comunicazioni dell’Università di Tokyo stanno indagando il modo migliore per caricare una batteria quantistica, e qui entra in gioco il tempo. Uno dei vantaggi delle batterie quantistiche è che dovrebbero essere incredibilmente efficienti, ma ciò dipende dal modo in cui vengono caricate.
Lo studio dell’Università di Tokio
“Le batterie attuali per dispositivi a bassa potenza, come smartphone o sensori, tipicamente usano sostanze chimiche come il litio per immagazzinare energia, mentre una batteria quantistica utilizza particelle microscopiche come array di atomi”, ha detto Chen. “Mentre le batterie chimiche sono governate dalle leggi classiche della fisica, le particelle microscopiche sono di natura quantica, quindi abbiamo la possibilità di esplorare modi di utilizzarle che pieghino o addirittura rompano le nostre nozioni intuitive di ciò che avviene su piccola scala. Sono particolarmente interessato al modo in cui le particelle quantistiche possono lavorare per violare una delle nostre esperienze più fondamentali, quella del tempo.”
In collaborazione con il ricercatore Gaoyan Zhu e il professor Peng Xue del Beijing Computational Science Research Center, il team ha sperimentato modi per caricare una batteria quantistica utilizzando apparecchiature ottiche come laser, lenti e specchi, ma il modo in cui hanno raggiunto questo obiettivo ha richiesto un effetto quantico in cui gli eventi non sono collegati causalmente come le cose quotidiane. I metodi precedenti per caricare una batteria quantistica prevedevano una serie di fasi di carica una dopo l’altra. Tuttavia, qui, il team ha invece utilizzato un nuovo effetto quantico che chiamano ordine causale indefinito, o ICO. Nel regno classico, la causalità segue un percorso chiaro, il che significa che se l’evento A porta all’evento B, allora la possibilità che B causi A è esclusa. Tuttavia, nella scala quantistica, l’ICO permette a entrambe le direzioni di causalità di esistere in ciò che è noto come una sovrapposizione quantica, dove entrambe possono essere simultaneamente vere.
ICO: ordine causale indefinito
“Con l’ICO, abbiamo dimostrato che il modo in cui si carica una batteria composta da particelle quantistiche potrebbe influenzare drasticamente le sue prestazioni”, ha detto Chen. “Abbiamo visto enormi guadagni sia nell’energia immagazzinata nel sistema sia nell’efficienza termica. E, in modo alquanto controintuitivo, abbiamo scoperto l’effetto sorprendente di un’interazione che è l’inverso di ciò che ci si potrebbe aspettare: un caricatore a bassa potenza potrebbe fornire energie maggiori con maggiore efficienza rispetto a un caricatore di potenza comparativamente più alta utilizzando lo stesso apparecchio.”
Il fenomeno dell’ICO esplorato dal team potrebbe trovare impieghi al di là della ricarica di una nuova generazione di dispositivi a bassa potenza. I principi sottostanti, inclusi l’effetto di interazione inversa scoperto qui, potrebbero migliorare le prestazioni di altri compiti che coinvolgono la termodinamica o processi che coinvolgono il trasferimento di calore. Un esempio promettente sono i pannelli solari, dove gli effetti termici possono ridurne l’efficienza, ma l’ICO potrebbe essere utilizzato per mitigarli e portare invece a guadagni di efficienza.