Kvantumakkumulátoroknak azokat az energiatároló egységeket nevezik a kutatók, amelyek egyelőre még leginkább az elméletek birodalmában léteznek csak, vagy kis méretű, kísérletezésre szolgáló előfutáraik a laboratóriumokban segítik a vizsgálatokat, de speciális tulajdonságainak köszönhetően forradalmat hozhatnak vagy hozhatnának az akkumulátorok fejlesztéseiben.

A kvantumakkumulátorok működése a szubatomi kvantumvilág szabályain alapul,

ami többek között azt jelenti, hogy a szerkezetet felépítő egységek egymással koherens vagy összefonódott állapotba léphetnek és egy nagyobb blokként viselkedhetnek.

Ez a jellemzőjük számos újszerű tulajdonsággal ruházza fel az eszközöket, például a szuperabszorpció képességével, ami miatt olyan sebességgel tölthetőek, ami a hagyományos akkumulátorok esetében elképzelhetetlen. A normál akkumulátorok töltése a cellák számának függvényében alakul többé-kevésbé kiszámítható és egyenletes módon, de a kvantumakkumulátorok töltési ideje a szuperabszorpció állapotában, különös módon, az egységek növekedésével egyre csökken.

Minél nagyobb az energiatároló mérete, annál gyorsabban tölthető.

Erre az ausztrál Adelaide Egyetem és az olasz Politecnico di Milano kutatói derítettek fényt, mikor az általuk épített kvantumakkumulátort tanulmányozták. Az idén januárban a Science Advances-ban megjelent tanulmányuk szerint a két tükör közé helyezett polimer mátrix által alkotott mikroüregben található organikus félvezető (egyfajta festék), vagyis a kvantumakkumulátor, töltöttségét a lézerrel gerjesztett állapotba hozott molekulák száma képviselte, amelyek mennyiségét (a töltési szintet) egy másik lézersugár segítségével mérték meg. Az eredmények szerint a mikroüregek energiasűrűsége a lézer hatására hirtelen növekedést mutatott és minél több molekula helyezkedett el az üregben, annál gyorsabban zajlott le a töltés.

"Ez azt jelenti, hogy kevesebb időbe telik egyetlen, N-számú molekulát tartalmazó mikroüreg feltöltése, mint N-számú, egyetlen molekulából álló mikroüregek töltése, még akkor is, ha utóbbiakat egymással párhuzamosan töltenénk.

Emellett, egy N-számú molekulát tartalmazó mikroüreg több energiát tárol, mint N-számú, egy molekulát tartalmazó mikroüreg." - írják a tanulmányban a kutatók, akik a felfedezett tulajdonságot szuperextenzív abszorpciónak, elnyelésnek hívják, amely jelenséget eddig csak ritkán sikerült demonstrálni a mérésével kapcsolatos nehézségek miatt.

Az ehhez hasonló vizsgálatok már bizonyították, hogy a fotonok elnyelésére alapozott kvantumakkumulátorok rendkívüli teljesítményt nyújthatnának, messze meghaladva a most használatban lévő társaik képességeit, és a töltésüket villámgyorsan lehetne kivitelezni, de arra a kérdésre, hogy ez pontosan milyen gyorsaságot jelent, eddig nem létezett pontos válasz. A Szöuli Nemzeti Egyetem és az koreai Alaptudományok Intézetének fizikusai azonban most megmérték a kvantumhatáson alapuló töltési folyamat sebességét és azt is felfedték, hogy elsősorban milyen faktorok befolyásolják a rendkívüli gyorsaságú töltés megvalósulását.

A kutatók a kvantumakkumulátort csak elméletben vizsgálták: ennek során az eszközt egy részecskékből álló rendszerként modellezték, ahol a részecskék perdülete jelentette az egyes cellákat és egy külső mágneses mező alkalmazása az energiaforrást, amivel a töltést végezték. Az egy-egy szakaszra vonatkozó aktuális töltöttséget az eredeti rendszer teljes energiáját leíró Hamilton-függvény és a külső energiaforrás összegéből számolták ki. Az elemzés során megfigyelték, hogy a töltési sebesség, a hagyományos akkumulátorokra jellemző lineáris növekedés helyett négyzetes növekedést mutat, vagyis jelentősebb gyorsabb töltésre ad lehetőséget az egységek számának növelésével. Ez azonban csak akkor lehetséges, ha az egységek kollektíven viselkednek, tehát nem egymástól független, hanem összefonódott állapotban vannak.

Amennyiben az összefonódott állapot olyan részecskék között alakul ki, amelynek hasonló szintű az energia sajátértéke, akkor ezek között gyorsabban zajlik le a külső mező hatására az adott hullámfüggvény kiterjedése (ami a töltéssel analóg), mint az eltérő energiaértékű részecskék között. Emiatt a magasabb energia sajátértékű részecskék, összefonódott állapotban, növelik a töltés gyorsaságát és ez az energia sajátérték egyben a töltés maximális sebességét is meghatározza. A másik fontos felfedezés, hogy a töltési sebesség növekedése nem az összes részecske (cella) számától függ, hanem a párokat alkotó részecskék közötti interakciótól, emiatt

"a négyzetes növekedés nem érhető el globális működés nélkül"

- írják a kutatók.

A kvantumakkumulátorokkal már csak egy probléma van, az, hogy egyelőre csak ebben a teoretikus vagy kis méretű, laboratóriumi formában léteznek, de a működési elvük és a képességeik felmérése hasznos információkkal szolgálhat ahhoz, hogy a jövőben valóban használható eszközök szülessenek. A Politecnico di Milano kutatója, Tersilla Virgili szerint a kvantumakkumulátorok többek között vezeték nélküli töltésre, napelemekhez vagy kamerák működtetésére is alkalmasak lehetnek, de a megfelelően nagy méretű példányok létrehozása és annak bizonyítása, hogy például a szuperabszorpció vagy a kollektív működés következtében kialakuló négyzetes növekedés a töltési sebességben nagyobb méretekben is funkcionál, még a további kísérletek során valósulhat meg.

(APS Physics Fotó: James Q. Quach et al/Science Advances, Pixanay/tommyvideo, Getty Images/Maksim Tkachenko)

Papíralapú, lebomló akkumulátort fejlesztettek ki szingapúri kutatók A környezetbarát módon lebomló akkumulátor biztonságosabbá tehetné az elektronikai eszközöket, és az e-hulladékok elhelyezésével kapcsolatban felmerülő nehézségeken is enyhíthet.