Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Một viên pin lượng tử siêu nhỏ vừa đảo ngược các quy tắc về năng lượng - sạc càng nhanh khi kích thước càng lớn.

Tóm tắt:

Các nhà khoa học đã thực hiện một bước tiến lớn hướng tới công nghệ năng lượng tương lai bằng cách chế tạo thành công nguyên mẫu hoạt động của pin lượng tử—loại pin có thể sạc, lưu trữ và giải phóng năng lượng bằng cách sử dụng các quy tắc kỳ lạ của vật lý lượng tử thay vì hóa học. Thiết bị siêu nhỏ chạy bằng laser này gợi mở về một tương lai nơi việc lưu trữ năng lượng không chỉ nhanh hơn mà còn thực sự cải thiện hiệu suất khi hệ thống càng lớn, đảo ngược hoàn toàn các quy tắc của pin thông thường.

Các nhà khoa học đã thực hiện một bước quan trọng đối với công nghệ năng lượng thế hệ mới bằng cách phát triển một bằng chứng khái niệm (proof-of-concept) về pin lượng tử có khả năng sạc, lưu trữ và giải phóng năng lượng. Nguyên mẫu sơ khai này đại diện cho tiến trình gần nhất từ trước đến nay trong việc chế tạo một viên pin lượng tử đầy đủ chức năng.

Khác với pin thông thường dựa trên các phản ứng hóa học, pin lượng tử dựa trên các nguyên lý bất thường của vật lý lượng tử. Chúng sử dụng các hiệu ứng như sự chồng chập và tương tác giữa ánh sáng và electron, điều này cho phép sạc nhanh hơn nhiều và có công suất lưu trữ năng lượng lớn hơn.

Mặc dù pin lượng tử thực tế vẫn chưa sẵn hành thương mại, nhưng những tiến bộ như thế này cho thấy chúng cuối cùng có thể định hình lại cách năng lượng được lưu trữ và cung cấp.

Pin lượng tử càng lớn, sạc càng nhanh

Đồng tác giả nghiên cứu và ứng viên tiến sĩ tại RMIT, Daniel Tibben, cho biết nhóm đã phát hiện ra một lợi thế đáng ngạc nhiên.

"Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy pin lượng tử sạc nhanh hơn khi chúng có kích thước lớn hơn, đây không phải là cách hoạt động của pin ngày nay," Tibben nói. "Đó là một dấu hiệu cho thấy pin lượng tử một ngày nào đó có thể vượt xa các công nghệ lưu trữ năng lượng truyền thống."

Đặc tính này hoàn toàn trái ngược với pin truyền thống, vốn không tăng hiệu suất khi tăng kích thước. Khám phá này làm nổi bật con đường tiềm năng hướng tới các hệ thống năng lượng mạnh mẽ và hiệu quả hơn.

Cấu tạo của pin lượng tử được điều chỉnh để tạo ra sự tương tác mạnh mẽ giữa ánh sáng và vật chất.

a Sơ đồ cấu trúc nhiều lớp của một mô hình pin lượng tử, mô tả chức năng và thành phần của từng bộ phận. Các xung laser bơm và thăm dò siêu nhanh được sử dụng để sạc và đo thiết bị.
b Hàm công và mức năng lượng HOMO/LUMO của mỗi lớp của pin lượng tử, xác định độ dốc năng lượng để tách điện tích.
cPhổ phản xạ trạng thái ổn định ở góc tới 22° đối với pin lượng tử D5 (đường màu đỏ) và thiết bị điều khiển quang học (đường màu đen), không có gương bạc phía trên. Phổ điều khiển được đặc trưng bởi các chuyển tiếp đến trạng thái đơn và . Trong pin lượng tử, các chuyển tiếp trạng thái đơn này vướng víu với chế độ khoang photon để tạo ra các polariton, được đặc trưng bởi các trạng thái polariton trên (UP), giữa (MP) và dưới (LP).
(d) và (e) hiển thị phổ phản xạ cho pin lượng tử D5 và thiết bị điều khiển tương ứng của nó theo góc tới.

Nguyên mẫu hoạt động chứng minh các chức năng chính

Đồng tác giả Daniel Gómez, Giáo sư Vật lý Hóa học tại RMIT, giải thích rằng thiết bị này đánh dấu một cột mốc quan trọng.

"Chúng tôi đã trình diễn một thiết bị có thể sạc, lưu trữ năng lượng đó và sau đó xả ra," Gómez nói. "Đây là một sự phát triển thú vị trong một lĩnh vực liên ngành đang phát triển nhanh chóng. Hy vọng rằng pin lượng tử sẽ sớm không còn là một ý tưởng lý thuyết mà là thứ có thể được chế tạo trong phòng thí nghiệm."

Pin lượng tử vận hành dựa trên các nguyên lý cốt lõi của cơ học lượng tử, bao gồm sự chồng chập và rối lượng tử (entanglement), thay vì các quy trình hóa học được sử dụng trong pin hiện nay.
Bản thân nguyên mẫu là một thiết bị hữu cơ phân lớp nhỏ. Nó có thể được sạc không dây bằng laser, cho thấy cách năng lượng có thể được cung cấp mà không cần kết nối vật lý trực tiếp.
Sạc bằng Laser và khả năng năng lượng trong tương lai

Tác giả chính, Tiến sĩ James Quach, Lãnh đạo Khoa học tại CSIRO, cho biết công trình này hướng tới một loại hình tương lai năng lượng mới.

"Thiết bị bằng chứng khái niệm của chúng tôi cho thấy khả năng sạc nhanh, có thể mở rộng và lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ phòng, đặt nền móng cho các giải pháp năng lượng thế hệ tiếp theo," ông nói.

"Mặc dù vẫn còn nhiều việc phải làm trong nghiên cứu pin lượng tử, nhưng chúng tôi đã thực hiện một bước quan trọng hướng tới việc hiện thực hóa các khả năng đó. Tham vọng cuối cùng của tôi là một tương lai nơi chúng ta có thể sạc xe điện nhanh hơn nhiều so với việc đổ xăng, hoặc sạc các thiết bị ở khoảng cách xa một cách không dây."

Hướng tới các ứng dụng thực tế

Nhóm nghiên cứu hiện đang làm việc để kéo dài thời gian pin lượng tử có thể duy trì điện tích. Việc cải thiện thời gian lưu trữ năng lượng sẽ là yếu tố then chốt để làm cho công nghệ này trở nên thực tế và có khả năng thương mại hóa.

Dù vẫn đang ở giai đoạn đầu, đột phá này gợi ý rằng pin lượng tử một ngày nào đó có thể mang lại tốc độ sạc nhanh hơn, truyền năng lượng không dây và hiệu suất vượt xa các công nghệ pin hiện nay.