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| Imagen de Valentin en Pixabay |
Las baterías que utilizan fenómenos cuánticos que parecen burlar nuestra comprensión convencional de las leyes de la física podrían aprovecharse para almacenar energía. Aunque estas baterías solo se han producido a pequeña escala en laboratorios, algún día podrían ofrecer ventajas sobre las baterías convencionales que podrían convertirlas en la opción preferida al menos en algunos nichos.
Desde pequeños dispositivos médicos hasta respaldos de red de fuentes de energía variables, el almacenamiento de energía es uno de los grandes desafíos de nuestro tiempo. La carga rápida y eficiente es parte de eso. A pesar de que los efectos cuánticos, por definición, tienen lugar en una escala muy pequeña, el estudiante graduado de la Universidad de Tokio, Yuanbo Chen, forma parte de un equipo que espera poder marcar una gran diferencia en algunos aspectos de este problema.
"Las baterías actuales para dispositivos de baja potencia, como teléfonos inteligentes o sensores, normalmente utilizan productos químicos como el litio para almacenar carga, mientras que una batería cuántica utiliza partículas microscópicas como conjuntos de átomos", dijo Chen en un comunicado. “Si bien las baterías químicas se rigen por las leyes clásicas de la física, las partículas microscópicas son de naturaleza cuántica, por lo que tenemos la oportunidad de explorar formas de usarlas que dobleguen o incluso rompan nuestras nociones intuitivas de lo que sucede a pequeña escala. Estoy particularmente interesado en la forma en que las partículas cuánticas pueden funcionar para violar una de nuestras experiencias más fundamentales, la del tiempo”.
En la física clásica, la causalidad sólo puede funcionar de una manera: la causa viene antes que el efecto. Incluso la física cuántica, que tan a menudo se niega a estar sujeta a lo que parecen leyes físicas inquebrantables, por lo general parece respetar ésta. Es decir, para tener alguna posibilidad de causar B, A necesita anteponerse a él.
Sin embargo, Chen es parte de un equipo que ha demostrado que no tiene por qué ser así. Han demostrado que es posible crear una superposición de un estado donde A viene antes que B y, por lo tanto, puede causarlo de manera plausible, y donde B viene antes que A. Este es un ejemplo de orden causal indefinido (ICO por sus siglas en inglés).
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| La superposición cuántica de dos órdenes de carga permite poner más energía en una batería con un dispositivo de carga más débil. Crédito: © 2023 Chen et al. (CC BY-ND) |
Esto significa que, en lugar de cargar una batería cuántica primero con un dispositivo de carga y luego con el otro, se puede cargar mediante una superposición de ambos. Además, cuando se hace esto, los resultados que normalmente deben compensarse mejoran juntos. "Nuestros resultados demuestran que tanto la cantidad de energía cargada como la eficiencia térmica se pueden aumentar simultáneamente", escriben Chen y sus colegas.
"Con ICO, demostramos que la forma en que se carga una batería compuesta de partículas cuánticas podría afectar drásticamente su rendimiento", dijo Chen. “Vimos enormes ganancias tanto en la energía almacenada en el sistema como en la eficiencia térmica. Y de manera un tanto contradictoria, descubrimos el efecto sorprendente de una interacción que es inversa a lo que se podría esperar: un cargador de menor potencia podría proporcionar energías más altas con mayor eficiencia que un cargador de potencia comparablemente mayor que utilice el mismo aparato”.
Para hacer esto, el equipo utilizó un interruptor cuántico, que escriben: "Puede considerarse como un dispositivo que acepta dos canales como entradas y, dependiendo del estado del qubit de orden, genera una superposición de canales en diferentes órdenes causales".
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| Para crear superposiciones, los autores utilizaron láseres y espejos que dividen el haz para crear interruptores cuánticos. Crédito: © 2023 Zhu et al. (CC BY-ND) |
Gran parte de nuestros dispositivos de almacenamiento deben ser portátiles, y el sistema ICO que creó el equipo ciertamente no lo es, ya que se basa en láseres reflejados en espejos y lentes que dividen el haz para crear sus efectos cuánticos. Eso no es algo que puedas o quieras guardar en tu bolsillo. Sin embargo, si hay algo en lo que nuestra sociedad ha sido buena en las últimas décadas es en la miniaturización, y el equipo espera que lo mismo ocurra con su trabajo.
Un mejor almacenamiento no es la única forma en que el equipo cree que ICO podría beneficiar la revolución energética. Los paneles solares se vuelven menos eficientes a medida que se calientan, lo que presenta problemas obvios para la tecnología que necesita permanecer expuesta a la luz solar directa. La mayoría de las soluciones implican colocar células solares sobre disipadores de calor, como agua fría, pero el equipo cree que pueden utilizar ICO para solucionar el problema. Los científicos ya han estado trabajando en refrigeradores cuánticos que utilizan ICO.
El estudio se publica en Physical Review Letters.