科学家在概念装置中验证了可实现量子电池的物理学原理

1. 科学家在概念装置中验证了可实现量子电池的物理学原理

 量子电池有朝一日将可以通过一个看似矛盾的东西彻底改变能源储存--电池越大，充电越快。 现在，一个科学家团队首次在一个概念验证装置中展示了支撑量子电池的超吸收量子力学原理。 古怪的量子物理学世界充满了在我们看来不可能的现象。
   比如分子可以变得非常纠缠在，以至于它们开始集体行动，而这可以导致一系列的量子效应，包括超级吸收--它提高可以分子吸收光线的能力。
   “超强吸收是一种量子集体效应，分子状态之间的转换会产生建设性的干扰，”这项研究的论文通讯作者James Quach告诉New Atlas，“"建设性干涉发生在所有种类的波（光、声、水面上的波）中，当不同的波加起来比任何一个波本身的效果都要大时就会发生。至关重要的是，这允许组合分子比每个分子单独行动时更有效地吸收光线。”
   在一个量子电池中，这种现象将有一个非常明显的好处。你拥有的储能分子越多，它们就能更有效地吸收能量--换言之，你把电池做得越大它的充电就越快。
   至少，理论上应该是这样的。超强吸收尚未在足够大的规模上被证明可以建造量子电池，但新研究现在已经做到了这一点。为了建立测试装置，研究人员将一个活性光吸收分子层--一种被称为Lumogen-F Orange的染料--放在两个镜子之间的微腔中。
      “这个微腔中的镜子是用制造高质量镜子的标准方法制造的，”Quach解释道，“这就是使用交替的电介质材料层--二氧化硅和五氧化二铌--来创建所谓的‘分布式布拉格反射器’。这产生的镜子比典型的金属/玻璃镜子反射更多的光。这很重要，因为我们想让光尽可能长时间地停留在空腔内。”
   然后，该团队使用超快瞬时吸收光谱来测量染料分子是如何储存能量的以及整个设备充电的速度。果然，随着微腔的大小和分子数量的增加，充电时间减少并证明了超强吸收的作用。
   最终，这一突破可能为实用的量子电池铺平道路，这使之成为快速充电的电动 汽车 或能够处理来自可再生资源的突发能量的储能系统。但当然，这项研究仍处于非常早期的阶段。
   Quach告诉New Atlas：“这里的想法是一个原则性的证明，即在这样的设备中增强对光的吸收是可能的。然而，关键的挑战是弥合这里的小型设备的原理证明跟在更大的可用设备中利用同样的想法之间的差距。下一步就是 探索 如何将其跟其他储存和传输能量的方式结合起来，从而提供一个可以实际使用的设备。”

2. 概念验证量子电池

《New Atlas》by Michael Irving, January 16, 2022
     
 量子电池的概念听起来有些矛盾，电池容量越大，充电速度越快。最近的研究，概念验证了以量子力学基础的超级吸收作为量子电池。
  
 量子物理的古怪世界对我们而言有些现象是不可能的。比如说，分子可以变得非常缠绕而集体行为，导致了一系列量子效果，包括超级吸收，就是分子吸收光的能力。在发生超级吸收的时候，分子的各种态之间发生相长干涉而体现出量子集体效果。相长干涉可以在各种电磁波中发生，包括光、声、水波。在发生时，单独的波相加产生的效果大于独自的波。对于分子吸收光，相长干涉使得集合起来的分子吸收光的效率比分子独自吸收光的效率要高。
  
 对于一个量子电池来说，这一现象有一个非常清楚的好处，就是能吸收能量的分子越多，这些分子集合起来吸收能量的效率就越高，就是我们所说的电池容量越大，充电速度越快。在发表在《Science Advances》的文章中，阿德莱德大学的团队将一层可以吸收光的荧光染料分子放在两面镜子之间的微槽里，结构称为布拉格反射镜，这种结构比普通的金属/玻璃镜面能反射更多的光。通过瞬态吸收光谱的记录，他们发现染料分子越多，吸收的时间越短，表现出了超级吸收效果。
  
 该结果为实现量子电池提供了进一步的研究方向，使得制造出能应对再生能源的能量爆发而进行电动 汽车 快充或储能。

3. 量子电动力学的电磁、电子

电磁真空中电磁场的电磁势可以看成是具有不同波矢kλ的平面波的叠加，在叠加中平面波λ成分的展开系数称为qλ。电磁场的能量可以通过qλ表示：此是平面波 λ的角频率。上式右方正是谐振子（角频率为ωλ）能量之和。因此，可以把电磁场看成是无穷多谐振子的集合。这是一个无穷多自由度的力学体系：qλ是广义坐标；pλ=妜λ是广义动量。根据量子力学，体系的广义坐标算符和正则共轭的广义动量算符应满足对易关系。如将上式中的qλ及妜λ当作这样的算符，则可以把场的能量及动量算符表示为：式中nλ是处于状态 λ上的光子──电磁场的量子──数算符。场的量子化实际上是量子力学的自然的推广：把有限自由度力学体系的量子化推广到无穷维自由度的力学体系中。以上的量子化过程表明，从场的观点出发，经过量子化就得到了粒子图像：场的能量（动量）即分别是光子的能量（动量）的和。场量子化以后，代表场的电磁势就成为算符，它包含各个状态 λ的光子的产生和湮没算符，以在理论中反映光子的发射和吸收。这就在理论中体现了波粒二象性。量子化的电磁场具有一个重要的特点，即有真空涨落。这种真空涨落是有直接观测效应的。例如，由于真空涨落，不带电的平行板电容器极板间存在微弱的引力，而这点已由实验所证实。当然，最重要的例子还是氢原了能级的兰姆移位，这个效应的90%是由于电子和电磁场的真空涨落相互作用造成的。电子狄拉克相对论波动方程成功地描述了电子的微观性质。为了解决方程的负能量解所带来的困难，狄喇克提出了“空穴理论”。空穴理论既预言子电子的反粒子──正电子──的存在，也预言了电子对的产生和湮没两种现象的存在。但空穴理论也带来了无限大的真空能量和无限大真空电荷密度的问题。这些困难可以在将狄喇克场量子化时适当定义负能量粒子湮没算符为反粒子产生算符就可以避免。在相对论性的理论中,不存在真正的单粒子问题。即使是真空态（即电子数与正电子数均为零），也有电子对涨落，而要描述粒子数变化并能避免上述的空穴理论的困难，就必须对电子场进行量子化。对电子场进行量子化，不能采取将共轭力学量作为满足对易关系的算符处理。在电磁场量子化时采取了对易关系，其结果就是处于一定状态的光子数算符的本征值取0、1、2、……等值。但电子是满足泡利不相容原理的。在一个状态上的电子数目只能是0或1。要得到这个结果，必须用反对易关系来代替对易关系：此处bλ各代表λ态上电子的湮没算符及μ态上电子的产生算符。两种不同的量子化方法促使泡利研究自旋统计关系。他发现自旋为整数的粒子（例如光子）服从玻色—爱因斯坦统计，在进行场的量子化时应该用对易关系；自旋为半整数的粒子（例如电子）服从费密—狄拉克统计，在进行场的量子化时应该用反对易关系。对电子场ψ（它满足狄拉克方程）进行场量子化以后也得到场量子（电子和正电子）的粒子图像。量子化电磁场的极限就是经典电磁场（例如无线电波），在光子数目很大时，电磁场的性质就由经典的麦克斯韦方程组描述。量子化电子场ψ却没有类似的经典极限，因为在一个状态上最多只能存在一个电子。相应的“经典”场方程就是描述单个电子的狄拉克方程，它显然不是经典的。只有在对电子的描述可以粗略到 ΔpΔq>>啚时，狄喇克电子理论才归结为满足狭义相对论的经典力学方程。

4. 新设计的“量子电池”将不会再丢失电荷

2019-10-29 08:08 
    
 这项研究主要作者之一、多伦多大学的化学家加布里埃尔·汉纳解释说：“量子电池是一种纳米尺寸的电池，旨在用于纳米级应用领域。我们更熟悉的电池，例如为智能手机供电的锂离子电池，依赖经典的电化学原理工作；而量子电池仅依赖量子力学原理工作。”
  
 他说，这项研究从理论上证明，制造出电荷无损的量子电池是可能的，而此前提出的量子电池被认为是不可能的。
  
 在最新研究中，为了实现这种电荷无损的量子电池的想法，研究团队将具有高度结构对称性的开放式量子网络模型作为存储激子能量的平台，激子能量是电子吸收足够高能的光子时所利用的能量。他们使用这种模型旨在证明，即使在开放环境下，也可以毫无损失地存储能量。
  
 汉纳说：“关键是要使这种量子网络处于黑暗状态。在黑暗状态下，网络无法与周围环境交换能量。从本质上讲，该系统不受环境影响，意味着电池几乎不会有什么能量损失。”
  
 研究人员还借助该模型，提出了一种按需从电池中释放储能的通用方法。接下来，他们计划 探索 对电池进行充放电的可行方法，以及如何扩大尺寸以便用于现实中。
  
 研究人员表示，这种量子电池有望成为多种量子设备的重要组件，例如为量子计算机供电。而且，科学家可以使用当前的固态技术来制造这种电池。
  
 责编：李文瑶