- Baterai kuantum fungsional pertama ini menyelesaikan siklus pengisian, penyimpanan, dan pengosongan menggunakan mikrokavitas organik dan superabsorpsi kuantum.
- Fitur khasnya adalah pengisian dayanya lebih cepat seiring bertambahnya ukuran, berkat efek kolektif yang meningkatkan daya pengisian secara super ekstensif.
- Prototipe saat ini menyimpan energi yang sangat sedikit selama beberapa nanodetik, sehingga penerapannya saat ini terbatas pada penelitian dan sistem kuantum khusus di masa mendatang.
- Tantangannya adalah meningkatkan kapasitas dan waktu retensi tanpa kehilangan koherensi kuantum, dengan menggabungkan kemajuan eksperimental dan desain teoretis seperti baterai kuantum topologi.
La baterai kuantum fungsional pertama Dari sekadar spekulasi di laboratorium, kini telah berkembang menjadi prototipe nyata yang mampu mengisi daya, menyimpan energi, dan melepaskannya sesuai kebutuhan. Sebuah tim peneliti Australia berhasil membangun perangkat kecil yang memanfaatkan efek kuantum kolektif untuk mengisi daya dengan kecepatan yang, dibandingkan dengan baterai saat ini, hampir seperti fiksi ilmiah.
Terobosan ini, ditandatangani oleh para ilmuwan dari CSIRO (Lembaga sains nasional Australia), bersama dengan Universitas Melbourne dan Universitas RMIT, menunjukkan sesuatu yang sama sekali bertentangan dengan intuisi: baterai ini dapat diisi ulang. Semakin besar ukurannya, semakin cepat kecepatannya.Meskipun kita masih jauh dari melihatnya di ponsel atau mobil listrik, tonggak sejarah ini membuka babak baru dalam cara kita memahami penyimpanan energi dan menunjukkan aplikasi utama di bidang-bidang seperti komputasi kuantum, sensor canggih, dan pengisian daya nirkabel jarak jauh.
Sebenarnya apa itu baterai kuantum?
Baterai kuantum bukan sekadar versi yang lebih baik dari baterai lithium yang kita gunakan setiap hari; melainkan sebuah perangkat yang menyimpan energi dalam keadaan kuantum Energi disimpan dalam bentuk atom atau molekul, bukan berdasarkan reaksi elektrokimia klasik. Energi tidak disimpan sebagai "listrik dalam reservoir," tetapi sebagai energi potensial dalam keadaan tereksitasi dari partikel-partikel yang membentuk sistem tersebut.
Pada baterai kimia konvensional, pengisian dan pengosongan bergantung pada pergerakan ion yang lambat melalui elektrolit dan interaksi dengan elektroda. Sebaliknya, pada baterai kuantum, kuncinya terletak pada Superposisi dan keterikatan kuantumfenomena yang memungkinkan banyak unit mikroskopis untuk bertindak secara terkoordinasi, seolah-olah mereka adalah satu sistem super yang tersinkronisasi sempurna.
Ini menyiratkan bahwa sel-sel internal baterai kuantum tidak berperilaku seperti kompartemen tertutup, melainkan seperti sebuah himpunan yang berkorelasi kuatKetika pulsa cahaya yang sesuai tiba, seluruh perangkat dapat menyerap energi sekaligus secara kooperatif, bukan sel demi sel seperti pada baterai klasik.
Hasilnya adalah, seiring bertambahnya jumlah unit kuantum, tidak hanya kapasitas penyimpanan yang terus bertambahNamun, hal ini juga mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk mengisi dayanya. Inilah ide yang mematahkan semua anggapan kita sebelumnya: baterai kuantum yang lebih besar dapat diisi daya dalam waktu yang lebih singkat daripada versi yang lebih kecil.
Tim Australia yang telah beranjak dari teori ke laboratorium
Lompatan dari teori ke prototipe fungsional telah dilakukan oleh sebuah kelompok yang dipimpin oleh James QuachSeorang peneliti CSIRO, bekerja sama dengan para ahli dari Universitas Melbourne dan Universitas RMIT, menulis studi tersebut, yang telah diterbitkan dalam jurnal. Nama-nama seperti Kieran Hymas, James Hutchison, Trevor Smith, dan Daniel Tibben termasuk di antara para penulisnya. Cahaya: Sains & Aplikasi, dari grup Nature.
Gagasan tentang baterai kuantum diusulkan sekitar Tahun 2013 sebagai konsep teoretisSejak saat itu, model matematika dan demonstrasi parsial dari beberapa efek utamanya, seperti superabsorpsi, telah dikembangkan. Namun, belum ada yang berhasil menciptakan perangkat yang dapat melakukan hal tersebut. siklus penuh Fungsi baterai: pengisian, penyimpanan, dan pengosongan energi listrik yang dapat digunakan dalam sistem fisik yang sama.
Quach sendiri telah berkomitmen untuk mewujudkan ide ini menjadi sesuatu yang nyata sejak tahun 2018. Pada tahun 2022, timnya telah mempresentasikan prototipe pertama yang secara eksperimental menunjukkan bahwa baterai kuantum yang lebih besar dapat diisi daya lebih cepat daripada yang lebih kecil, menggunakan teknologi canggih. rongga mikro organikMasalahnya adalah desain tersebut merupakan jalan buntu energi: perangkat tersebut dapat diisi daya, tetapi tidak ada cara efisien untuk mengekstrak energi yang tersimpan sebagai arus listrik.
Dalam versi terbaru, para peneliti telah menambahkan lapisan transportasi kargo dan kontak yang memungkinkan energi yang terperangkap diubah menjadi listrik nyata yang dapat diukur. Berkat peningkatan ini, perangkat saat ini dapat diisi dengan cahaya, menyimpan energi tersebut untuk waktu singkat, dan melepaskannya secara terkontrol, mirip dengan baterai komersial, meskipun pada skala waktu dan energi yang sepenuhnya berbeda.
Menurut Quach, aspirasi terbesarnya adalah masa depan di mana kita dapat Mengisi daya mobil listrik lebih cepat daripada mengisi tangki bensin. atau untuk memberi daya pada perangkat secara nirkabel dalam jarak jauh. Untuk saat ini, yang mereka miliki adalah bukti konsep yang sangat canggih, tetapi yang akhirnya menegaskan bahwa baterai kuantum bukanlah sekadar persamaan indah di atas kertas.
Bagaimana baterai kuantum fungsional pertama dibangun?
Inti dari prototipe ini adalah sebuah mikrokavitas organik berlapis-lapisStruktur "sandwich" nanometrik yang terdiri dari lapisan-lapisan berbeda dari material semikonduktor organik dan cermin penangkap cahaya. Arsitektur ini dirancang untuk mengurung foton di dalamnya dan memaksa foton tersebut berinteraksi secara intensif dengan molekul material.
Rongga mikro tersebut bertindak sebagai semacam sangkar lampu miniaturKetika laser dengan frekuensi yang sesuai mengenai perangkat, foton akan terperangkap, memantul di antara lapisan reflektif dan berinteraksi sangat kuat dengan molekul organik. Interaksi ini menimbulkan keadaan hibrida cahaya-materi, di mana perbedaan antara eksitasi foton dan elektronik menjadi kabur.
Bahan organik yang digunakan adalah pewarna semikonduktor yang mirip dengan yang digunakan pada layar OLED pada ponsel. Ketika terkena cahaya, elektronnya bertransisi ke keadaan energi yang lebih tinggi (eksiton). Berkat desain rongga tersebut, eksitasi ini tidak terdistribusi secara sembarangan, melainkan menyebar dengan cepat ke seluruh sistem, menciptakan keadaan kolektif dan koheren.
Pada percobaan sebelumnya, perangkat tersebut hanya berfungsi untuk menunjukkan bahwa hal itu dapat dilakukan. mengisi daya baterai kuantum melalui cahaya, tetapi bukan untuk mengekstrak sesuatu yang praktis darinya. Dalam desain baru ini, lapisan-lapisan khusus telah diintegrasikan yang memungkinkan pembawa muatan (elektron dan lubang) untuk disalurkan ke kontak di mana energi diubah menjadi arus listrik terukurDengan cara ini, siklus baterai lengkap pun terpenuhi: penyerapan cahaya, penyimpanan sementara dalam keadaan kuantum, dan pelepasan listrik.
Hasilnya adalah perangkat kecil, yang mudah muat dalam skala mikroskopis, namun mampu menghasilkan aliran arus yang tidak dapat dijelaskan hanya dengan menjumlahkan kapasitas masing-masing molekul. Perbedaan inilah yang justru mengungkapkan bahwa ada efek kolektif kuantum dalam permainan.
Superabsorpsi kuantum dan perilaku superekstensif
Sifat yang membuat baterai ini begitu istimewa disebut... superabsorpsi kuantumDalam sistem klasik, setiap molekul menyerap cahaya secara independen, seperti banyak ember yang mencoba terisi air hujan: menambahkan lebih banyak ember tidak membuat masing-masing ember terisi lebih cepat. Namun, dalam prototipe kuantum, molekul berperilaku seolah-olah mereka adalah... sebuah "super-kubus" tunggal yang tersinkronisasi.
Di dalam rongga mikro, molekul-molekul tersebut ditemukan dalam apa yang dikenal sebagai rezim kopling cahaya-materi yang kuatDalam rezim ini, eksitasi tidak lagi menjadi milik molekul tertentu dan didistribusikan ke seluruh kelompok, sehingga penyerapan energi cahaya terjadi secara kooperatif. Tarian sinkron inilah yang memungkinkan kapasitas penyerapan tidak hanya meningkat dengan penambahan lebih banyak molekul, tetapi juga ditingkatkan. mengalikan secara superlinier.
Para peneliti menggambarkan perilaku ini sebagai superekstensifDaya pengisian meningkat lebih cepat daripada ukuran baterai. Sementara pada baterai konvensional, menggandakan jumlah sel berarti kapasitas lebih besar tetapi juga waktu pengisian lebih lama, di sini terjadi kebalikannya; dengan meningkatkan jumlah unit kuantum, perangkat menjadi lebih besar dan, pada saat yang sama, Pengisian dayanya lebih cepat..
Sebuah contoh sederhana membantu mengilustrasikan hal ini: dalam baterai konvensional dengan N unit, kita mungkin membutuhkan waktu sekitar N detik untuk mengisi daya masing-masing unit secara individual. Dalam baterai kuantum ideal dengan efek kolektif yang dimanfaatkan dengan baik, waktu pengisian dapat meningkat menjadi 1/√N atau bahkan lebih baik, sehingga Menggandakan ukurannya dapat mengurangi waktu pemuatan secara signifikan.Jenis penskalaan inilah yang menyebabkan baterai kuantum selama bertahun-tahun dianggap sebagai semacam "cawan suci" penyimpanan energi.
Teori superabsorpsi dirumuskan lebih dari satu dekade lalu, tetapi hingga saat ini belum ada eksperimen yang membuktikan, dalam perangkat nyata dan operasional, bahwa hal itu dapat dilakukan. mengisi, menyimpan, dan melepaskan energi listrik Memanfaatkan fenomena ini. Prototipe Australia adalah validasi eksperimental lengkap pertama dari prediksi teoretis tersebut.
Waktu pemuatan dan penyimpanan: dari femtodetik hingga nanodetik
Salah satu angka yang paling mencolok dalam penelitian ini adalah skala waktu bebanPerangkat ini diisi daya oleh pulsa laser dalam waktu sekitar femtodetik (10⁻¹⁵ detik), yaitu, satu kuadriliun detik. Skalanya sangat kecil sehingga sulit untuk dibayangkan.
Energi yang diserap tidak hilang seketika; energi tersebut tetap tersimpan dalam keadaan kuantum kolektif untuk jangka waktu tertentu. nanodetik (10⁻⁹ detik)Ini mungkin terdengar tidak signifikan, tetapi lompatan dari femtodetik ke nanodetik tersebut mewakili perbedaan sekitar enam orde antara waktu pemuatan dan waktu retensi.
Quach sendiri mengilustrasikan hal ini dengan sebuah analogi: jika baterai konvensional membutuhkan waktu satu menit untuk diisi, perbedaan enam orde besaran akan menyiratkan bahwa baterai tersebut dapat tetap dikenakan biaya selama beberapa tahunJelas, pada prototipe, waktu absolutnya jauh lebih singkat, tetapi rasio antara pengisian daya yang sangat cepat dan penyimpanan yang relatif lama itulah yang membangkitkan begitu banyak minat ilmiah.
Dari segi jumlah energi, perangkat saat ini mampu menangani sekitar... miliaran elektronvoltAngka ini, meskipun spektakuler, hanya mewakili sebagian kecil dari energi yang dibutuhkan untuk mengoperasikan perangkat elektronik sehari-hari. Beberapa penulis membandingkan jumlah ini dengan sebagian kecil energi kinetik nyamuk saat terbang, yang jelas menggambarkan betapa terbatasnya penerapan praktisnya saat ini.
Namun, tujuan utama prototipe ini bukanlah untuk berfungsi sebagai baterai komersial, melainkan untuk menunjukkan bahwa pengisian daya ultra cepat dan siklus operasi penuh Hal itu mungkin terjadi dalam sistem kuantum pada suhu ruangan. Setidaknya, syarat itu telah terpenuhi.
Keterbatasan saat ini: stabilitas, skala, dan kondisi pengoperasian.
Betapapun spektakulernya fisika yang terlibat, para peneliti bersikeras bahwa Baterai kuantum masih dalam tahap awal pengembangannya.Kendala utamanya adalah waktu retensi daya: kita berbicara tentang nanodetik atau mikrodetik paling baik, padahal aplikasi di dunia nyata membutuhkan otonomi selama berjam-jam atau berhari-hari.
Musuh terbesar adalah dekoherensi kuantumProses di mana interaksi dengan lingkungan (panas, getaran, kebisingan elektromagnetik) menghancurkan koordinasi halus antara sel-sel kuantum. Gangguan kecil saja sudah cukup bagi sistem untuk berhenti berperilaku sebagai himpunan super koheren dan mulai bertindak sebagai sejumlah molekul independen, kehilangan keuntungan dari superabsorpsi.
Selain itu, pembuatan prototipe membutuhkan presisi nanometrik ekstremRongga mikro tersebut harus disetel secara tepat sesuai dengan frekuensi cahaya yang digunakan untuk mengisi daya baterai; penyimpangan sekecil apa pun dapat mengurangi efisiensi secara drastis. Hal ini melibatkan proses manufaktur yang mahal dan rumit, yang masih jauh dari produksi industri skala besar.
Data rinci belum tersedia mengenai hal ini. efisiensi energi bersih atau kepadatan energi yang setara dengan baterai komersial. Operasi ini dilakukan di bawah kondisi laboratorium yang sangat terkontrol, menggunakan laser presisi dan peralatan spektroskopi ultra cepat, yang menambah kompleksitas pada setiap upaya untuk mentransfer teknologi ini ke lingkungan sehari-hari.
Tim Quach sendiri secara terbuka mengakui hal itu: apa yang mereka hadapi adalah sebuah bukti konsepLangkah selanjutnya adalah memperbesar ukuran perangkat, meningkatkan stabilitasnya, dan yang terpenting, memperpanjang waktu penyimpanan energi tanpa sifat kuantumnya runtuh akibat gangguan lingkungan.
Garis teori komplementer: baterai kuantum topologi
Sementara kelompok Australia membuat kemajuan di bidang eksperimental, tim lain bekerja dari sisi teoretis untuk untuk memperkuat ketahanan baterai kuantumSalah satu proposal paling menarik datang dari para peneliti di Pusat Komputasi Kuantum RIKEN dan Universitas Sains dan Teknologi Huazhong, yang telah mengusulkan desain sebuah baterai kuantum topologi.
Pendekatan ini menggunakan model yang didasarkan pada pandu gelombang fotonik dan atom dua tingkatdi mana sifat topologi sistem memungkinkan energi ditransfer dari satu ujung ke ujung lainnya dengan kerugian minimal. Struktur topologi memiliki kekhasan sangat tahan terhadap ketidaksempurnaan kecil, sesuatu yang sangat penting ketika berurusan dengan sistem kuantum yang rumit.
Menurut analisis kelompok ini, ada konfigurasi di mana sistem tersebut dapat menjadi praktis. kebal terhadap disipasiIni adalah salah satu faktor utama yang menghancurkan keunggulan kuantum pada baterai saat ini. Jika ide-ide ini dapat diimplementasikan dalam perangkat fisik, hal itu dapat membantu mengatasi beberapa hambatan yang mencegah peningkatan skala dari prototipe mikroskopis menjadi baterai kuantum praktis.
Peneliti Zhi-Guang Lu, salah satu penulis karya teoretis ini, menekankan bahwa jenis model ini menawarkan pedoman desain yang sangat jelas Untuk mengoptimalkan kinerja baterai kuantum dalam kondisi realistis, menggabungkan proposal topologi dengan arsitektur seperti mikrokavitas organik dapat menjadi cara untuk memperpanjang waktu retensi dan akhirnya membuat sistem ini kurang rapuh.
Singkatnya, kemajuan eksperimental Australia dan kontribusi teoretis dari kelompok-kelompok di Asia dan negara-negara lain membentuk ekosistem penelitian yang konvergen: teori memandu geometri dan material baru, sementara hasil laboratorium membantu menyempurnakan dan menyesuaikan model matematika agar lebih mendekati aplikasi praktis.
Aplikasi potensial: dari komputasi kuantum hingga pengisian daya nirkabel
Dalam jangka pendek dan menengah, sektor yang paling jelas dapat memperoleh manfaat dari baterai kuantum adalah sektor... komputer kuantumPerangkat-perangkat ini beroperasi di bawah hukum fisika yang sama yang mengatur baterai kuantum dan membutuhkan sumber energi yang sangat terkontrol agar tidak mengganggu perilaku qubit.
Memiliki baterai yang memberikan energi dalam koheren dan sangat efisienDengan meminimalkan gangguan tambahan pada sistem, baterai kuantum dapat menjadi komponen kunci untuk meningkatkan skala komputasi kuantum ke mesin yang lebih besar dan lebih stabil. Bahkan, beberapa ahli berpendapat bahwa salah satu penggunaan praktis pertama baterai kuantum adalah untuk memberi daya pada perangkat keras kuantum yang sangat khusus.
Di luar ceruk tersebut, para peneliti membayangkan potensi aplikasi di berbagai bidang. sensor presisi tinggiSistem komunikasi satelit dan perangkat elektronik di mana kecepatan pengisian daya sangat penting, meskipun jumlah total energi tidak harus sangat besar. Untuk sensor jarak jauh tertentu atau perangkat medis yang dapat ditanamkan, gagasan tentang Pengisian daya laser nirkabel Hal ini terutama menarik pada kecepatan yang sangat tinggi.
Jika teknologi ini berhasil dikembangkan dalam skala besar, masa depan di mana mobil listrik, drone, atau bahkan perangkat yang dapat dikenakan ditenagai oleh listrik bukanlah hal yang mustahil. mengisi daya dalam hitungan milidetik Saat bergerak, tanpa memerlukan kabel atau colokan. Quach bahkan mengusulkan skenario di mana drone dapat mengisi daya di tengah penerbangan atau kendaraan listrik dapat menerima energi secara dinamis saat melaju, tanpa berhenti di stasiun pengisian daya.
Dalam jangka panjang, baterai kuantum dapat menjadi bagian dari sebuah infrastruktur energi kuantumDi mana manajemen energi tidak hanya didasarkan pada elektron yang dianggap sebagai partikel terisolasi, tetapi pada gelombang yang tersinkronisasi dan bekerja bersama. Meskipun ini masih terdengar seperti fiksi ilmiah, ini persis jenis lompatan konseptual yang, jika terwujud, akan sepenuhnya mengubah cara kita mengisi daya, menyimpan, dan mendistribusikan energi.
Perbedaan utama dibandingkan dengan baterai lithium saat ini
Untuk membandingkan secara langsung baterai kuantum yang masih dalam tahap pengembangan dengan baterai yang sudah umum digunakan. baterai lithium ion Mungkin ini tampak tidak adil, tetapi ada baiknya untuk memahami apa yang baru dari teknologi ini dan masalah apa yang dihadapinya.
En primer lugar, el mekanisme pemuatan Ini sangat berbeda. Sementara baterai lithium bergantung pada reaksi kimia yang lambat dan aliran ion antar elektroda, baterai kuantum didasarkan pada efek kolektif seperti superabsorpsi, di mana seluruh sistem menyerap energi cahaya secara terkoordinasi dan seketika dalam skala waktu femtodetik.
Kedua, kecepatan memuat Keduanya bergerak berlawanan arah. Baterai konvensional menjadi lebih lambat seiring peningkatan kapasitasnya, membutuhkan waktu mulai dari puluhan menit hingga beberapa jam untuk diisi daya. Pada baterai kuantum yang didemonstrasikan, pengisian daya terjadi dalam waktu yang sangat singkat, dan seiring bertambahnya jumlah unit kuantum, kecepatan pengisian daya teoretis justru meningkat, bukan menurun.
Ini juga mengubah metode pengisianBaterai tradisional perlu dihubungkan secara fisik ke sumber daya melalui kabel, sedangkan baterai kuantum diberi daya secara nirkabel melalui laser yang menyuntikkan foton ke dalam rongga mikro. Pendekatan ini sepenuhnya menghilangkan kebutuhan akan kontak listrik selama pengisian daya.
Saat ini, baterai lithium unggul telak dalam hal... waktu dan kapasitas penyimpananBaterai konvensional dapat menyimpan energi dalam jumlah besar selama berjam-jam atau berhari-hari, dengan kepadatan yang cukup tinggi untuk memberi daya pada mobil atau laptop. Sebaliknya, prototipe kuantum hanya menyimpan energi dalam jumlah sangat kecil selama beberapa nanodetik, yang sama sekali tidak cukup untuk penggunaan sehari-hari.
Pertanyaan besarnya adalah apakah dalam beberapa dekade mendatang, baterai kuantum dapat ditingkatkan skalanya hingga mencapai titik di mana baterai tersebut menawarkan kepadatan energi yang kompetitif dan waktu retensi yang bermanfaatSembari mempertahankan efek kuantum yang memberi mereka keunggulan. Jika jawabannya ya, kombinasi pengisian daya ultra cepat, kemampuan pengisian daya nirkabel jarak jauh, dan peningkatan efisiensi dapat menggantikan teknologi kimia di segmen pasar energi yang sangat spesifik.
Untuk saat ini, wajar untuk memandang baterai kuantum fungsional pertama ini sebagaimana adanya: tonggak sejarah dalam fisika terapan yang memvalidasi teori yang diupayakan selama lebih dari satu dekade dan membuka bidang pengembangan teknologi dengan potensi besar, tetapi masih membutuhkan waktu bertahun-tahun sebelum menjadi produk komersial yang kita gunakan sehari-hari.
Semua indikasi menunjukkan bahwa kita sedang menghadapi fase awal dari sebuah teknologi yang dapat sepenuhnya mendefinisikan ulang cara kita memahami baterai, sama seperti komputer kuantum pertama yang mulai mempertanyakan batasan komputasi klasik; apa yang saat ini berupa prototipe yang diukur dalam femtodetik dan elektronvolt pada akhirnya dapat menjadi dasar sistem energi ultra cepat yang akan melayani generasi perangkat dan kendaraan berikutnya.