Batterie quantiche superveloci di futura generazione: la chiave è il superassorbimento

CNR e Politecnico di Milano: «Il tempo di ricarica è inversamente correlato alla capacità della batteria»

[18 Gennaio 2022]

Lo studio “Superabsorption in an organic microcavity: towards a quantum battery”, pubblicato su Science Advances da un team internazionale di ricercatori che comprende anche Tersilla Virgili dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr (Cnr-Ifn)  e Giulio Cerullo del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, presenta una batteria che, seguendo le leggi della fisica quantistica, ha un tempo di ricarica inversamente correlato alla quantità di energia immagazzinata, con possibili applicazioni per dispositivi come caricabatterie senza fili, celle solari e macchine fotografiche.

Le batterie quantiche sono una nuova classe di dispositivi di accumulo di energia che operano secondo i principi della fisica quantistica, la scienza che studia l’infinitamente piccolo dove non sempre valgono le leggi della fisica classica e i ricercatori hanno dimostrato che è possibile fabbricare un tipo di batteria quantica dove il potere di ricarica aumenta più velocemente aumentando la capacità  della batteria.

Il principale autore dello studio, l’australiano James Quach, dell’Institute for Photonics and Advanced Sensing  dell’università di Adelaide, spiega che «e batterie quantistiche, che utilizzano i principi della meccanica quantistica per migliorare le loro capacità, richiedono meno tempo di ricarica più diventano grandi. E’ teoricamente possibile che la potenza di carica delle batterie quantistiche aumenti più velocemente delle dimensioni della batteria, il che potrebbe consentire nuovi modi per accelerare la ricarica».

E la Virgili conferma: «Le batterie quantiche presentano una proprietà contro-intuitiva in cui il tempo di ricarica è inversamente correlato alla capacità della batteria e cioè alla quantità di carica elettrica immagazzinata. Ciò porta all’idea intrigante che il potere di carica delle batterie quantiche sia super-estensivo e cioè che aumenti più velocemente con le dimensioni della batteria».

Il dispositivo  è una microcavità in cui il materiale attivo è costituito da molecole organiche disperse in una matrice inerte  che immagazzinano energia e Cerullo spiega a sua volta che «Ogni molecola rappresenta un’unità che può esistere in uno stato di sovrapposizione quantistica di due livelli di energia (fondamentale ed eccitato), simile al modo in cui un qubit, l’unità base di informazione quantistica, può essere sia 0 che 1 contemporaneamente nei computer quantistici. Costruendo la batteria quantica in un modo in cui le unità possono esistere in sovrapposizione, il sistema totale può comportarsi collettivamente. Questo comportamento, noto come coerenza quantistica, consente alle unità di agire in modo cooperativo, dando origine a una carica iper-veloce che dipende dal numero delle molecole-unità».

Quach  dice che «Alla base dell’effetto superassorbente delle batterie quantistiche c’è l’idea che tutte le molecole agiscano collettivamente attraverso una proprietà nota come sovrapposizione quantistica. Con l’aumento delle dimensioni della microcavità e del numero di molecole, il tempo di ricarica è diminuito. Questa è una svolta significativa e segna una pietra miliare nello sviluppo della batteria quantistica».

L’idea della batteria quantistica potrebbe avere un impatto significativo sulla cattura e lo stoccaggio di energie rinnovabili e nei dispositivi elettronici in miniatura. All’università di Adelaide ricordano che «Entro il 2040, l’energia consumata dalle persone dovrebbe aumentare del 28% rispetto ai livelli del 2015. La maggior parte dell’energia proverrà ancora dai combustibili fossili con un grande costo per l’ambiente. Una batteria in grado di raccogliere e immagazzinare contemporaneamente energia luminosa fornirebbe una significativa riduzione dei costi riducendo l’imprevedibilità dell’energia dalle tecnologie solari».

Applicando il lavoro del team, potrebbe diventare realtà una nuova prospettiva per la tecnologia delle batterie basata sulla potenza della meccanica quantistica. Secondo Peter Veitch, a capo della School of Physical Sciences dell’università di Adelaide, «I concetti su cui il dottor Quach e il suo team hanno lavorato aprono la possibilità di una nuova classe di dispositivi compatti e potenti per l’accumulo di energia»

Il prossimo passo è sviluppare un prototipo di batteria quantistica completamente funzionante e la  Virgili conclude: «In futuro questo tipo di dispositivo potrà essere applicato in vari ambiti scientifici e tecnologici come ad esempio caricabatterie senza fili, celle solari e macchine fotografiche».