Международная группа исследователей из австралийских университетов RMIT и Мельбурна совместно с Научно-промышленной исследовательской организацией Содружества впервые экспериментально продемонстрировала работу прототипа квантовой батареи. Это устройство способно запасать энергию света и напрямую преобразовывать ее в электрический ток за счет коллективных квантовых эффектов.
Идея квантовой батареи основана на явлении сверхпоглощения – эффекте, при котором группа молекул, взаимодействующих через общее электромагнитное поле, поглощает энергию не по отдельности, а совместно, значительно быстрее и эффективнее. Ранее такие эффекты удавалось наблюдать лишь в лабораторных условиях и в крайне коротких промежутках времени. В данном случае исследователям удалось не только зафиксировать этот режим, но и обеспечить сохранение накопленной энергии с возможностью ее дальнейшего использования.
Конструкция устройства представляет собой многослойную систему, в которой два серебряных слоя формируют оптический микрорезонатор – своего рода «ловушку» для света. Внутри размещен активный слой из молекул фталоцианина меди. Параметры резонатора подобраны так, чтобы его оптические свойства совпадали с характеристиками этих молекул. В результате свет, попадая внутрь, многократно отражается и одновременно взаимодействует со всем ансамблем молекул, переводя систему в коллективный режим работы. Именно это сильное взаимодействие света и вещества обеспечивает квантовое усиление процесса поглощения энергии.
Для превращения этой схемы в полноценное энергетическое устройство необходимо было решить две задачи – стабилизировать накопленную энергию и обеспечить ее извлечение.
Первая задача была решена за счет особенностей самой молекулы: наличие атома меди способствует переходу возбужденного электрона в так называемое триплетное состояние, то есть более устойчивое энергетическое состояние, в котором энергия сохраняется значительно дольше (возврат в исходное состояние затруднен квантовыми правилами, поэтому энергия «задерживается» в системе на существенно более длительное время – десятки наносекунд вместо фемтосекунд).
Вторая задача решалась с помощью дополнительных функциональных слоев. В структуру был введен слой фуллерена (углеродного материала из молекул в форме «футбольного мяча», хорошо принимающего электроны), а также специальные слои переноса зарядов. При достижении границы между слоями происходит разделение зарядов, и при подключении внешней цепи возникает электрический ток. Транспортные слои работают как клапаны, пропуская электроны в одну сторону и блокируя их обратное движение.
Ученые изготовили восемь таких батарей с разным количеством поглощающих молекул. Затем их облучали ультракороткими лазерными импульсами и наблюдали за процессами с помощью сверхбыстрой спектроскопии. Результаты подтвердили теорию: чем больше молекул находилось в резонаторе, тем быстрее происходила зарядка и тем больше энергии запасалось в расчете на одну молекулу. В классической физике такой показатель, как плотность энергии, не зависит от размера устройства – это так называемое интенсивное свойство. Здесь же он увеличивался вместе с масштабом системы.
Ключевой результат был получен в условиях обычного освещения.
Когда батарею заряжали не лазером, а обычным некогерентным светодиодом, мощность генерируемого электрического тока также росла сверхэкстенсивно – то есть быстрее, чем увеличивалось количество молекул. Это первый случай, когда квантовое преимущество удалось продемонстрировать в установившемся режиме работы, а не в кратковременном импульсе. По сравнению с контрольными образцами без резонатора эффективность преобразования света в ток увеличилась примерно в три раза.
Пока мощность таких батарей невелика – речь идет о лабораторном прототипе, который подтверждает саму возможность эффекта. Тем не менее работа открывает новое направление в фотовольтаике. В перспективе масштабирование этой технологии может позволить создавать солнечные элементы, эффективно работающие даже при низкой освещенности, например, в пасмурную погоду или внутри помещений.
