Учёные из Китая представили перспективную концепцию квантовой батареи, способной сохранять накопленную энергию гораздо дольше, чем любые ранее предложенные аналоги. В основе новой архитектуры — хорошо изученный дефект алмазной решётки, NV-центр.
Исследователи выяснили, что этот элемент не только способен эффективно аккумулировать энергию, но и способен подавлять её утечку без помощи внешних источников. Авторы считают, что предложенное решение поможет преодолеть одну из главных проблем квантовых накопителей — потерю энергии вследствие декогеренции .
Квантовые батареи рассматриваются как потенциальная альтернатива классическим системам накопления энергии, поскольку эффекты суперпозиции и запутанности позволяют им заряжаться быстрее и теоретически обеспечивать более высокую энергетическую отдачу. Однако в реальных условиях их эффективность ограничена: квантовые состояния крайне нестабильны и быстро разрушаются при контакте с внешней средой, что приводит к самопроизвольному разряду даже без подключения нагрузки.
Авторы новой работы из Хубэйского университета, Китайской академии наук и Ланьчжоусского университета предложили элегантное решение этой проблемы. В качестве активного элемента они использовали спин электрона в NV-центре, представляющем собой пару — атом азота, заменивший атом углерода в кристаллической решётке, и соседнюю вакансию. Такая структура обладает устойчивыми спиновыми свойствами, которые сохраняются при комнатной температуре, что делает её удобной для практического применения.
Главное преимущество новой схемы — отсутствие необходимости в отдельном квантовом зарядном устройстве. Ранее для подавления саморазряда требовалось создавать запутанность между батареей и источником энергии, что снижало так называемую эрготропию — максимально возможную полезную работу, которую можно извлечь из системы. Новая модель обходит это ограничение, используя внутренние взаимодействия самой ячейки.
Ключевым элементом здесь выступает гипертонкое взаимодействие между спином электрона NV-центра и спином ядра атома азота. Оно позволяет контролировать распределение энергии внутри системы, акцентируя её в когерентной части, которая утрачивается значительно медленнее. Благодаря оптимизации соотношения когерентной энергии к общей эрготропии учёные добились значительного увеличения времени хранения без ущерба для выходной мощности.
По словам профессора Цзюнь-Хун Аня, одного из авторов исследования, квантовые аккумуляторы сталкиваются с двумя ключевыми барьерами: ухудшением зарядной эффективности и потерей энергии из-за взаимодействия с внешней средой. Его команда ранее уже предлагала метод беспроводной зарядки, позволяющий продлить срок службы устройства. Новая работа демонстрирует, что проблему утечки энергии можно решать за счёт внутренних свойств самого элемента хранения — без внешней коррекции или дополнительной логики.
Платформа на базе NV-центров уже активно используется в квантовой сенсорике и вычислениях благодаря своей надёжности и устойчивости к фоновым помехам. Теперь она может получить вторую жизнь в качестве основы для энергоэффективных накопителей. Новое исследование раскрывает потенциал NV-дефекта в ещё одной сфере и демонстрирует, как квантовая физика способна коренным образом изменить принципы хранения энергии.
Следующий этап — экспериментальная проверка устойчивости батареи в условиях внешнего шума и поиск путей масштабирования технологии для практического использования.