Úc tạo ra pin lượng tử đầu tiên trên thế giới: Phá vỡ mọi quy luật thông thường
Trong một bước tiến lịch sử của ngành lưu trữ năng lượng, các nhà khoa học tại Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Khối thịnh vượng chung Úc (CSIRO), phối hợp cùng Đại học RMIT và Đại học Melbourne, vừa công bố nguyên mẫu pin lượng tử đầu tiên trên thế giới có khả năng thực hiện đầy đủ chu kỳ nạp điện, lưu trữ và xả điện.
Nghịch lý lượng tử: Pin càng lớn, sạc càng nhanh
Điều khiến pin lượng tử trở nên khác biệt hoàn toàn so với mọi loại pin hiện nay nằm ở một nghịch lý mà vật lý cổ điển không thể giải thích nổi. Trong khi pin lithium-ion thông thường có kích thước và thời gian sạc tỷ lệ thuận với nhau (pin điện thoại mất 30-60 phút, pin xe điện cần cả đêm), thì pin lượng tử hoạt động theo chiều ngược lại hoàn toàn.
TS. James Quach, trưởng nhóm nghiên cứu tại CSIRO, giải thích: "Với pin có N tế bào và mỗi tế bào đơn lẻ cần một giây để nạp đầy, thì khi hoạt động theo cơ chế tập thể, thời gian nạp chỉ còn 1/√N giây. Pin càng nhiều tế bào, tốc độ nạp càng tăng phi tuyến tính."
Cơ chế "hiệu ứng tập thể" trong thế giới lượng tử
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học Light: Science & Applications đánh dấu lần đầu tiên một thiết bị như vậy thoát khỏi phạm vi lý thuyết thuần túy để trở thành hiện thực vật lý có thể đo lường được.
Cơ chế tạo ra nghịch lý này được gọi là "hiệu ứng tập thể" (collective effects), một hiện tượng chỉ xuất hiện trong thế giới lượng tử. Thay vì mỗi tế bào lưu trữ nạp điện độc lập, các tế bào trong pin lượng tử hoạt động đồng thời như một thể thống nhất, tựa như chúng "biết" sự hiện diện của nhau và phối hợp để tăng tốc quá trình nạp.
Khắc phục hạn chế từ nguyên mẫu trước
Nhóm nghiên cứu đã xác nhận hiệu ứng này từ năm 2022, nhưng nguyên mẫu lúc đó chưa có cách nào để rút năng lượng ra ngoài. Nguyên mẫu mới được công bố lần này đã khắc phục đúng hạn chế đó.
Các nhà khoa học bổ sung thêm các lớp vật liệu vào cấu trúc microcavity hữu cơ đa lớp, cho phép chuyển đổi năng lượng lượng tử thành dòng điện có thể sử dụng được. Pin được nạp không dây bằng laser trong khoảng thời gian đo bằng femtoseconds (phần triệu tỷ giây), và lưu trữ năng lượng trong vài nanoseconds.
Thách thức và triển vọng ứng dụng
Tuy nhiên, TS. Quach thẳng thắn thừa nhận khoảng cách còn rất lớn giữa nguyên mẫu và ứng dụng thực tế:
- Dung lượng hiện tại của pin chỉ đạt vài tỷ electron-volt, quá nhỏ để cấp điện cho thiết bị hàng ngày
- Thời gian lưu trữ vài nanoseconds chưa đủ để thực hiện ngay cả một cuộc gọi điện thoại
Để hình dung cụ thể hơn, TS. Quach đưa ra một phép so sánh: "Nếu một chiếc pin mất một phút để nạp đầy, thì chênh lệch sáu bậc độ lớn tương đương với việc pin đó giữ điện được vài năm."
Bước tiếp theo mà nhóm nghiên cứu đang hướng tới là kéo dài đáng kể thời gian lưu trữ, đồng thời tăng dung lượng lên mức có thể phục vụ các thiết bị lượng tử như máy tính lượng tử - ứng dụng gần nhất và khả thi nhất trong giai đoạn hiện nay.
Nếu có thể thương mại hóa thành công, đây sẽ là công nghệ pin hoàn hảo dành cho xe điện hoặc các thiết bị cần đến pin dung lượng lớn, mở ra kỷ nguyên mới cho ngành lưu trữ năng lượng toàn cầu.
