携帯電話を充電したり、電気自動車に接続したり、コンピューターの電源を入れたりするたびに、私たちは 2 世紀以上の歴史を持つテクノロジーを使用しています。 現代のバッテリーは、19 世紀初頭にアレッサンドロ ボルタによって発明されたバッテリーよりもはるかに洗練されていますが、基本原理は同じままです。 化学エネルギーを貯蔵し、必要なときに放出します。
現在、Xiao Renshaw Wang率いるクイーンズランド大学の科学者チームは、根本的に異なる可能性を研究しました。彼らは化学反応に頼る代わりに、どのようにして 特定の量子効果により、日常世界には存在しない物質の集合的特性を利用して、エネルギーの貯蔵と伝達が可能になる可能性がある。 研究、 雑誌に掲載されました エネルギーとAI、バッテリーの即時終了を発表するものではありませんが、最小限の物理学の原理に基づいて、将来の世代のエネルギーデバイスを刺激する可能性のあるメカニズムについて説明しています。
量子力学には不思議な現象がたくさんあります。最も驚くべきことの 1 つは、個々の粒子が集合的に単一のシステムを形成しているかのように動作できることです。 特定の条件下では、電子、原子、分子は独立して動作しなくなり、共通の量子状態を共有し始めます。 これは量子コヒーレンスとして知られる現象です。
フットボールで起こっていることと似たようなことがあります。人がいっぱいのスタジアムでは、各個人が別々に動くことができます。しかし、何千人もの観客が波を起こすと、一人の人間によるものとは考えられない集団的な行動が現れます。波は特定の人に属するものではなく、集合的な現象です。 それらすべての調整から生まれます。
物理学者は、一部の量子システムは同様の動作をする可能性があると考えています。のように、各粒子にエネルギーを個別に蓄積するのではなく、 従来のバッテリーは化学反応を介してエネルギーを集合状態で分配できます。 同時に多くの粒子によって共有されます。エネルギーはもはや各観客の中に「蓄えられる」のではなく、波自体の中に「蓄えられる」ことになります。
従来のバッテリーでは、エネルギーは化学変化によって蓄積されます。放電すると、これらの反応は逆転して電気を放出しますが、Wang のチームは別のアイデアを検討しました。エネルギーを集合的な量子状態に一時的に保存できたらどうなるでしょうか? 著者らによると、特定の量子系では超吸収と呼ばれる現象が見られるという。 存在する粒子の数に比例してエネルギーを吸収するのではなく、アセンブリは協力してより効率的にエネルギーを捕捉できます。
この概念は、量子電池として知られる新興分野を生み出しました。この名前は誤解を招く可能性があります。これは、単に量子材料で構築された従来のバッテリーではないためです。違いはさらに深いです。 理論的には、 量子電池はエンタングルメントやコヒーレンスなどの現象を利用して、より速く充電できる可能性がある、異なる方法でエネルギーを保存するか、同等の古典的なシステムで許可されている効率よりも高い効率でエネルギーを転送します。
ということは電池がなくなってしまうのでしょうか？いいえ、少なくとも近い将来にはそうではありません。 量子電池はまだ実験的な概念です。ほとんどの仕事は高度に制御されたシステムで行われます しかも非常に小規模なスケールで。さらに、量子現象は非常に繊細です。
環境との相互作用は、量子コヒーレンスを破壊する傾向があります。デコヒーレンスとして知られる問題は、量子技術の大きな課題の 1 つです。そのため、 これらの結果を商用デバイスに変換するには、おそらく数十年の研究が必要です。
では、なぜそれが重要なのでしょうか?それはエネルギーについての考え方を広げるからです。何世紀にもわたって、私たちは燃料、貯蔵所、機械バネ、コンデンサー、または化学電池にエネルギーを貯蔵してきました。 これらすべてのシステムは基本的に古典物理学の規則に従い、量子力学によって新たな可能性が開かれます。
量子コンピューターが従来のコンピューティングには存在しない特性を利用するのと同じように、将来のエネルギー技術では、従来のデバイスでは再現できない集合的な現象を利用できる可能性があります。現在のバッテリーを完全に置き換えることはできないかもしれません。 新しい研究が示唆していることは、 量子の世界には、私たちがまだ理解し始めたばかりのエネルギーを保存および管理する方法があるかもしれません。
