近日，精密測量院囚禁離子物理研究組與湖北大學、蘭州大學合作，在量子電池理論研究方面取得新進展，相關研究成果發(fā)表在物理學頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

延緩自放電方案

可提取功動力學

現(xiàn)代電子設備等技術的快速發(fā)展，對儲能裝置在小型化、高功率密度和大存儲容量等方面提出了迫切需求。得益于微觀世界中獨特的量子特性以及自下而上的原子級制造工藝，量子電池有望成為一種具有更小體積、更強充電功率、更高存儲容量以及更大可提取功的新一代儲能與供能裝置。作為“調控量子態(tài)，實現(xiàn)新功能、發(fā)展新技術”這一宗旨的重要體現(xiàn)，量子電池已成為量子科技領域的主要應用方向之一，未來或將深刻改變人類的能量利用方式。盡管近年來量子電池取得了快速進展，但微觀體系中不可避免的退相干效應會導致量子電池出現(xiàn)自發(fā)放電現(xiàn)象，嚴重制約了其物理實現(xiàn)與實際應用。

研究團隊基于金剛石氮-空位色心體系，提出了一種能夠延緩自放電的量子電池方案，為解決量子電池中自發(fā)放電這一關鍵科學問題提供了全新的思路。該方案采用金剛石氮-空位色心中的電子自旋作為量子電池的物理載體，其周圍的碳-13原子核自旋庫誘導電子自旋發(fā)生退相干，從而引發(fā)量子電池的自放電現(xiàn)象。由于量子電池中的相干可提取功比非相干可提取功衰減更緩慢，該研究提出通過在充電過程中提升相干可提取功的占比，來增強量子電池對自放電的抵抗能力。更為有趣的是，金剛石氮-空位色心體系中特有的電子與氮-14原子核自旋之間的超精細耦合，為提高相干可提取功占比提供了理想的調控手段。該研究首次同時實現(xiàn)了對量子電池可提取功的優(yōu)化與自放電的有效控制，對于推動量子電池的物理實現(xiàn)具有重要理論指導意義，同時展示了金剛石氮-空位色心體系在量子能源器件開發(fā)中的巨大潛力。該研究是團隊繼2024年提出抗老化的遠距無線充電量子電池方案后，取得的另一項重要成果。

相關研究成果以題為“Self-Discharging Mitigated Quantum Battery” 發(fā)表在物理學頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。論文第一作者為湖北大學副教授宋婉露，湖北大學教授周斌、精密測量院研究員楊萬里和蘭州大學教授安鈞鴻為聯(lián)合通訊作者。

相關研究得到了科技部“科技創(chuàng)新2030”項目、國家自然科學基金項目、湖北省創(chuàng)新群體項目、湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃項目和湖北省杰青項目的支持。

國際科技新聞門戶網(wǎng)站Phys.org對相關研究工作進行了題為“New scheme mitigates self-discharging in quantum batteries”的報道。