近日，精密測(cè)量院囚禁離子物理研究組與湖北大學(xué)、蘭州大學(xué)合作，在量子電池理論研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。

延緩自放電方案

可提取功動(dòng)力學(xué)

現(xiàn)代電子設(shè)備等技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)能裝置在小型化、高功率密度和大存儲(chǔ)容量等方面提出了迫切需求。得益于微觀世界中獨(dú)特的量子特性以及自下而上的原子級(jí)制造工藝，量子電池有望成為一種具有更小體積、更強(qiáng)充電功率、更高存儲(chǔ)容量以及更大可提取功的新一代儲(chǔ)能與供能裝置。作為“調(diào)控量子態(tài)，實(shí)現(xiàn)新功能、發(fā)展新技術(shù)”這一宗旨的重要體現(xiàn)，量子電池已成為量子科技領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向之一，未來(lái)或?qū)⑸羁谈淖內(nèi)祟惖哪芰坷梅绞健１M管近年來(lái)量子電池取得了快速進(jìn)展，但微觀體系中不可避免的退相干效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致量子電池出現(xiàn)自發(fā)放電現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了其物理實(shí)現(xiàn)與實(shí)際應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)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(guān)鍵科學(xué)問(wèn)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(kù)誘導(dǎo)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(guò)在充電過(guò)程中提升相干可提取功的占比，來(lái)增強(qiáng)量子電池對(duì)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(xì)耦合，為提高相干可提取功占比提供了理想的調(diào)控手段。該研究首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子電池可提取功的優(yōu)化與自放電的有效控制，對(duì)于推動(dòng)量子電池的物理實(shí)現(xiàn)具有重要理論指導(dǎo)意義，同時(shí)展示了金剛石氮-空位色心體系在量子能源器件開(kāi)發(fā)中的巨大潛力。該研究是團(tuán)隊(duì)繼2024年提出抗老化的遠(yuǎn)距無(wú)線充電量子電池方案后，取得的另一項(xiàng)重要成果。

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

相關(guān)研究得到了科技部“科技創(chuàng)新2030”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖北省創(chuàng)新群體項(xiàng)目、湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目和湖北省杰青項(xiàng)目的支持。

國(guó)際科技新聞門戶網(wǎng)站Phys.org對(duì)相關(guān)研究工作進(jìn)行了題為“New scheme mitigates self-discharging in quantum batteries”的報(bào)道。