Chuyên gia Australia chế tạo pin lượng tử thu nhỏ đầu tiên trên thế giới

một giờ trướcBài gốc

Trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Light: Science & Applications, nhóm chuyên gia từ Đại học Melbourne và cơ quan khoa học quốc gia CSIRO của Australia giới thiệu tới công chúng nguyên mẫu pin lượng tử thu nhỏ đầu tiên trên thế giới.

Khác với pin lithium-ion truyền thống vốn lưu trữ năng lượng thông qua phản ứng hóa học, pin lượng tử sử dụng các hiện tượng của cơ học lượng tử. Thay vì ion di chuyển giữa cực âm và cực dương, năng lượng trong pin lượng tử được lưu trữ dưới dạng trạng thái kích thích điện từ giữa các phân tử đồng bộ với nhau.

Bên trong phòng thí nghiệm pin lượng tử tại CSIRO. Ảnh: University of Melbourne.

Theo lý giải của nhóm nghiên cứu, công nghệ này dựa trên hiện tượng gọi là "tính kết hợp lượng tử", tức là khi các hạt tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái khác nhau nhưng vẫn liên kết chặt chẽ với nhau như một hệ thống thống nhất.

Nhờ vậy, toàn bộ các phân tử trong pin có thể hấp thụ năng lượng cùng lúc trong một sự kiện gọi là "super absorption" - siêu hấp thụ. Đặc biệt, pin càng lớn thì tốc độ sạc càng nhanh, trái ngược hoàn toàn với pin thông thường.

Để chế tạo nguyên mẫu pin lượng tử thu nhỏ đầu tiên trên thế giới, nhóm nghiên cứu sử dụng nhiều lớp bán dẫn hữu cơ đặt giữa các gương bạc siêu mỏng nhằm tạo ra một khoang vi mô giữ ánh sáng bên trong.

Kế đến, nhóm nghiên cứu chiếu một xung laser cực ngắn chỉ kéo dài một femtosecond (một phần triệu tỷ giây) vào hệ thống. Xung laser này khiến các phân tử chuyển sang trạng thái kích thích và giữ năng lượng trong vài chục nanosecond (vài chục phần tỷ giây).

Mặc dù khoảng thời gian nghe có vẻ rất ngắn nhưng các chuyên gia nhấn mạnh điều quan trọng nằm ở tỷ lệ giữa thời gian sạc và thời gian lưu trữ năng lượng. Nếu nguyên lý này được mở rộng thành pin thực tế thì một thiết bị sạc trong 1 phút có thể duy trì năng lượng trong nhiều năm.

Các nhà khoa học tin rằng, pin lượng tử có thể mở ra nhiều ứng dụng mới như xe điện hạng nặng, máy bay không người lái hoặc thậm chí sạc từ xa bằng laser trong lúc thiết bị đang hoạt động. Công nghệ mới cũng được kỳ vọng hỗ trợ máy tính lượng tử với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn.

Do pin lượng tử hiện ở giai đoạn thử nghiệm ban đầu nên các chuyên gia cần phải vượt qua nhiều thách thức lớn khác, bao gồm hiện tượng "decoherence" (mất tính kết hợp lượng tử) khi các tác động từ môi trường phá vỡ trạng thái lượng tử và làm hệ thống mất ổn định. Trong tương lai, pin lượng tử có thể trở thành một trong những công nghệ năng lượng đột phá giúp thay đổi cách con người sử dụng năng lượng.