Cientistas japoneses revelam uma bateria quântica que desafia a perda de energia

A promessa das baterias quânticas

À medida que a sustentabilidade ambiental se torna uma preocupação global cada vez mais urgente, os investigadores procuram novas abordagens para o armazenamento de energia da próxima geração. Baterias quânticas – dispositivos teóricos miniaturizados que armazenam energia usando fenômenos quânticos como superposição, emaranhamento e coerência, em vez de reações químicas tradicionais – poderiam redefinir como a energia é armazenada e transferida. Em princípio, estas baterias poderiam oferecer diversas vantagens em relação às convencionais, incluindo carregamento mais rápido, maior capacidade e maior eficiência na extração de energia.

Superando os desafios dos sistemas de energia quântica

Apesar de anos de propostas, a implementação prática de baterias quânticas permaneceu fora de alcance. Em condições do mundo real, estes sistemas são particularmente vulneráveis ​​à perda de energia e à decoerência, um processo no qual os sistemas quânticos perdem propriedades essenciais como emaranhamento e superposição, levando a um desempenho reduzido. Em sistemas fotônicos que usam guias de onda comuns (não topológicos) – canais que direcionam fótons, mas são sensíveis a curvaturas ou imperfeições – a eficiência energética cai drasticamente à medida que os fótons se dispersam dentro do guia. Desafios adicionais, como ruído ambiental, dissipação e desordem estrutural, prejudicam ainda mais a estabilidade e a eficiência do armazenamento.

Aproveitando a topologia para melhorar o desempenho da bateria

Para resolver estes problemas persistentes, a equipa de investigação internacional utilizou modelação analítica e numérica dentro de um quadro teórico. Aproveitando as propriedades topológicas – características do material que permanecem inalteradas mesmo quando a estrutura é torcida ou dobrada – eles mostraram que é possível obter transferência de energia de longa distância e imunidade à dissipação em baterias quânticas. Numa reviravolta inesperada, os investigadores também descobriram que a dissipação, que normalmente enfraquece o desempenho, pode aumentar temporariamente a potência de carregamento sob certas condições.

Descobertas inovadoras e implicações futuras

O estudo revelou vários resultados promissores que aproximam as baterias quânticas topológicas do uso prático. A equipe demonstrou que a natureza topológica dos guias de ondas fotônicos permite uma transferência de energia quase perfeita. Quando a fonte de carga e a bateria ocupam o mesmo local, o sistema ganha imunidade de dissipação limitada a uma única sub-rede. Eles também descobriram que quando a dissipação ultrapassa um nível crítico, a potência de carregamento sofre um aumento breve, mas significativo, derrubando a antiga suposição de que a perda de energia é sempre prejudicial.

Rumo às baterias quânticas do mundo real

“Nossa pesquisa fornece novos insights de uma perspectiva topológica e nos dá dicas para a realização de dispositivos de armazenamento de microenergia de alto desempenho. Ao superar as limitações práticas de desempenho das baterias quânticas causadas pela transmissão e dissipação de energia de longa distância, esperamos acelerar a transição da teoria para a aplicação prática das baterias quânticas, “disse Zhi-Guang Lu, o primeiro autor do estudo.

“Olhando para o futuro”, diz Cheng Shang, autor correspondente da equipe de pesquisa internacional, “continuaremos trabalhando para preencher a lacuna entre o estudo teórico e a implantação prática de dispositivos quânticos – inaugurando a era quântica que há muito imaginamos”.