Các nhà nghiên cứu tại Đại học Melbourne và Đại học RMIT ở Australia, cùng với các nhà nghiên cứu tại CSIRO, cơ quan khoa học quốc gia của nước này, đã chế tạo nguyên mẫu pin lượng tử đầu tiên trên thế giới.
Hãy tưởng tượng bạn có thể sạc đầy pin điện thoại gần như ngay lập tức bằng cách khai thác các quy luật kỳ lạ của vật lý lượng tử. Tốc độ sạc nhanh cho thấy pin lượng tử có thể trở thành công cụ quan trọng để thay thế các loại pin hóa học đang được sử dụng hiện nay.
Nghiên cứu lượng tử đã dẫn chúng ta đến các đặc tính lượng tử độc đáo như chồng chất và vướng víu, đang được áp dụng để chế tạo máy tính lượng tử. Tuy nhiên, các nhà khoa học tin rằng các đặc tính này cũng có thể áp dụng cho các ứng dụng khác, có thể đem đến nhiều lợi thế.
James Quach, một nhà nghiên cứu tại CSIRO, nghiên cứu về khái niệm pin lượng tử từ năm 2018 và năm 2022 hợp tác với các đồng nghiệp ở Vương quốc Anh và Italia chế tạo ra nguyên mẫu pin. Mặc dù pin có thể sạc, nhưng họ lại thiếu phương tiện để xả pin. Vì vậy, Quach chế tạo loại pin mới có thể xả được.
Pin của nhóm nghiên cứu gồm một khoang vi mô hữu cơ nhiều lớp, được tạo thành từ nhiều vật liệu có khả năng giữ ánh sáng. Pin được sạc không dây bằng cách sử dụng tia laser và nhóm đã sử dụng các kỹ thuật quang phổ tiên tiến để xác nhận hành vi sạc của nó.
Các nhà nghiên cứu hy vọng, các hiệu ứng lượng tử đặc biệt của các vật liệu được sử dụng trong pin cũng sẽ thể hiện “hiệu ứng tập thể” của chúng, trong đó mỗi đơn vị không sạc riêng lẻ mà sạc đồng thời. Khác với pin thông thường, pin lượng tử sạc nhanh hơn khi kết hợp nhiều đơn vị.
Ví dụ, nếu pin có N đơn vị và mỗi đơn vị mất một giây để sạc riêng lẻ thì khi được kết nối, một pin lượng tử mà trong đó tất cả N đơn vị được sạc đồng thời chỉ mất 1/√N giây để sạc đầy.
Điều này có nghĩa là pin lượng tử càng lớn thì thời gian sạc càng ngắn. Nếu dung lượng tăng gấp đôi, thời gian sạc sẽ chỉ còn hơn một nửa. Điều này khác biệt hẳn so với cách hoạt động của các loại pin thông thường, trong đó pin dung lượng lớn hơn thường mất nhiều thời gian hơn để sạc.
Mặc dù nghiên cứu đầy hứa hẹn nhưng không có nghĩa là pin lượng tử sẽ sớm xuất hiện trên thị trường. Lượng điện tích mà pin này có thể tích trữ rất nhỏ, chỉ vài tỉ electron-volt, thậm chí không đủ để sạc một điện thoại thông minh. Hơn nữa, thời gian mà chúng có thể giữ được lượng điện tích nhỏ này cũng rất ngắn, chỉ vài nano giây.
Tuy vẫn còn rất nhiều việc phải làm trước khi pin lượng tử có thể được đưa ra thị trường nhưng nghiên cứu này chứng minh tiềm năng của pin lượng tử. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực mở rộng quy mô nguyên mẫu và kiểm tra xem nó có thể giữ được điện tích trong bao lâu.
Trong một thế giới lý tưởng, thiết bị sẽ có tốc độ sạc của pin lượng tử nhưng dung lượng lưu trữ năng lượng của pin thông thường. Cũng có thể pin lượng tử sẽ hoạt động tốt nhất cho máy tính lượng tử và giúp chúng mở rộng quy mô. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications.
