超吸收开启了下一代量子电池的大门

诸平

Credit: University of Adelaide

据澳大利亚阿德莱德大学(University of Adelaide)2022年1月17日报道，阿德莱德大学的研究人员和他们的海外合作伙伴在实现量子电池（quantum batteries）方面迈出了关键的一步。他们成功地证明了超吸收的概念，这是支撑量子电池的一个关键想法（Superabsorption unlocks key to next-generation quantum batteries）。

阿德莱德大学物理科学学院、光子学和高级传感研究所(Institute for Photonics and Advanced Sensing简称IPAS)的拉姆齐研究员（Ramsay Fellow）詹姆斯·郭（James Q. Quach）博士说:“量子电池利用量子力学原理来增强其性能，电池越大，充电时间越短。从理论上讲，量子电池的充电功率的增长速度可能快于电池的大小，这可能会带来加快充电速度的新方法。”

为了证明超吸收的概念，该团队在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他们的发现—— James Q Quach, Kirsty E McGhee, Lucia Ganzer, Dominic M Rouse, Brendon W Lovett, Erik M Gauger, Jonathan Keeling, Giulio Cerullo, David G Lidzey, Tersilla Virgili. Superabsorption in an organic microcavity: Toward a quantum battery. Science Advances, 2022 Jan 14; 8(2): eabk3160. DOI: 10.1126/sciadv.abk3160. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3160

参与此项研究的除了来自澳大利亚阿德莱德大学的研究人员之外，还有来自英国谢菲尔德大学（University of Sheffield）、英国圣安德鲁斯大学（University of St Andrews）、英国赫瑞瓦特大学（Heriot-Watt University）以及意大利国家研究委员会（Consiglio Nazionale delle Ricerche/ National Research Council 简称CNR）纳米技术研究所（Istituto di Fotonica e Nanotecnologia-CNR）的研究人员。由多国科学家组成的研究团队，他们建造了几个不同大小的晶片状微腔，其中包含不同数量的有机分子。每个都是用激光充电的。

詹姆斯·郭博士说：“微腔的活性层含有储存能量的有机半导体材料。量子电池的超吸收效应的基础是所有分子通过一种被称为量子叠加(quantum superposition)的特性共同作用。随着微腔尺寸的增大和分子数量的增加，充电时间减少。这是一个重大突破，标志着量子电池发展的一个重要里程碑。”

量子电池的想法有可能对可再生能源和微型电子设备的能量捕获和存储产生重大影响。到2040年，人类消耗的能源预计将比2015年增加28%。大部分能源仍将来自化石燃料，对环境造成巨大损失。一种能够同时收集和存储光能的电池将大大降低成本，同时减少太阳能技术产生的能源的不可预测性。

由量子力学的力量驱动的电池技术的新前景,有可能会成为现实，通过应用该团队的工作。阿德莱德大学物理科学学院院长彼得·维奇（Peter Veitch）教授说:“詹姆斯·郭博士和他的团队所研究的概念，开启了一种新型紧凑而强大的能量存储设备的可能性。”

下一步是开发一个全功能的量子电池原型。上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The rate at which matter emits or absorbs light can be modified by its environment, as markedly exemplified by the widely studied phenomenon of superradiance. The reverse process, superabsorption, is harder to demonstrate because of the challenges of probing ultrafast processes and has only been seen for small numbers of atoms. Its central idea—superextensive scaling of absorption, meaning larger systems absorb faster—is also the key idea underpinning quantum batteries. Here, we implement experimentally a paradigmatic model of a quantum battery, constructed of a microcavity enclosing a molecular dye. Ultrafast optical spectroscopy allows us to observe charging dynamics at femtosecond resolution to demonstrate superextensive charging rates and storage capacity, in agreement with our theoretical modeling. We find that decoherence plays an important role in stabilizing energy storage. Our work opens future opportunities for harnessing collective effects in light-matter coupling for nanoscale energy capture, storage, and transport technologies.