# Pin điện tử lượng tử đầu tiên trên thế giới: Bước đột phá cho tương lai năng lượng
Các nhà khoa học vừa tạo ra pin lượng tử thu nhỏ đầu tiên trên thế giới – một nguyên mẫu chứng minh khái niệm có thể thay đổi mãi mãi ngành lưu trữ năng lượng. Nếu công nghệ này được nhân rộng, nó sẽ mở ra những khả năng mới cho việc điện hóa từ xa với thiết bị siêu nhẹ.
Nhóm nghiên cứu đã công bố thiết kế pin lượng tử của họ trên tạp chí Light: Science & Applications vào ngày 13 tháng 3. Họ cho biết loại pin này có thể được sử dụng cho lưu trữ dài hạn, cũng như các ứng dụng mật độ cao như xe điện hạng nặng.
Theo James Hutchinson, đồng tác giả nghiên cứu và Phó giáo sư Hóa lý tại Đại học Melbourne, pin lượng tử trong tương lai có thể sạc nhanh hơn nhiều so với pin truyền thống, đồng thời sở hữu mật độ năng lượng và độ bền vượt trội.
Khác biệt cốt lõi
Trong pin lithium-ion thông thường, các ion di chuyển giữa cực âm và cực dương qua chất điện phân. Nhưng bên trong pin lượng tử, năng lượng được lưu trữ dưới dạng kích thích điện từ giữa các phân tử kết hợp – những phân tử chia sẻ trạng thái nội tại không ngẫu nhiên như năng lượng dao động hoặc trạng thái điện tử. Điều này cho phép chúng duy trì mối quan hệ cố định với nhau.
Pin lượng tử dựa trên các định luật kỳ lạ của cơ học lượng tử. Cụ thể, các nhà nghiên cứu sử dụng hiệu ứng kết hợp lượng tử – nơi một khối lượng lớn các hạt địa phương tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái. Những hạt này, dù ở trạng thái “chồng chập”, vẫn hành xử có thể dự đoán được so với nhau. Khi tập hợp trong pin, các hạt kết hợp trải qua hiệu ứng rối lượng tử, nghĩa là chúng không chỉ đơn giản liên kết với nhau mà còn trở nên giống hệt nhau về mặt chức năng, tạo thành một hệ thống lớn hơn.
Điều này cho phép tất cả các phân tử trong pin sạc ở tốc độ không đổi, bất kể kích thước. Càng nhiều phân tử tham gia, năng lượng càng được hấp thụ hiệu quả, nghĩa là thời gian sạc thực tế giảm khi pin lớn hơn.
“Tương tự pin thông thường, pin lượng tử sạc, lưu trữ và xả năng lượng,” Hutchinson giải thích. “Nhưng trong khi pin hàng ngày dựa vào phản ứng hóa học, pin lượng tử khai thác các tính chất của cơ học lượng tử. Lợi thế là hệ thống lượng tử hấp thụ ánh sáng trong một sự kiện ‘siêu hấp thụ’ khổng lồ duy nhất, giúp sạc pin nhanh hơn.”
Cấu tạo của pin lượng tử
Để chế tạo pin, các nhà nghiên cứu dựa trên mô hình Dicke trong quang học lượng tử, cho rằng khi ánh sáng và vật chất kết hợp vượt quá một giá trị nhất định, chúng có thể trở nên siêu bức xạ – nơi một nhóm các bộ phát phát ra ánh sáng tập thể trong một xung ngắn, mạnh.
Về mặt thực tế, pin được tạo thành từ một loạt các lớp bán dẫn hữu cơ (nơi xảy ra sự kết hợp) kẹp giữa các gương bạc, tạo ra một vi khoang – cấu trúc siêu nhỏ giới hạn ánh sáng trong một thể tích nhỏ, cho phép nó phản xạ nhiều lần. Điều này cho phép nhóm phân tử kết hợp phát ra ánh sáng trong một xung thống nhất – chức năng cần thiết cho việc xả pin lượng tử – cũng như hấp thụ ánh sáng với tốc độ bằng bình phương số lượng phân tử kết hợp. Đây được gọi là siêu hấp thụ.
Vi khoang rất cần thiết cho sự kết hợp và siêu hấp thụ, vì nó cung cấp môi trường giới hạn phù hợp để đạt được tỷ lệ giữa ánh sáng và vật chất như mô hình Dicke.
Bên trên và dưới các lớp bán dẫn hữu cơ, các lớp chặn lỗ trống và vận chuyển điện tử đảm bảo electron có thể chảy về phía cực âm và điện cực khi cần, giúp hệ thống hoạt động như một pin thực thụ.
Thử nghiệm và kết quả ấn tượng
Trong các thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Siêu nhanh và Vi quang phổ của Đại học Melbourne, nhóm nghiên cứu đã bắn một xung laser có băng thông 31 nanomet trong một femto giây (một phần triệu tỷ giây), tạo ra trạng thái kích thích trong các phân tử kéo dài hàng chục nano giây (vài trăm phần triệu giây). Điều này có nghĩa pin có thể giữ điện lâu hơn 1 triệu lần so với thời gian sạc.
Ở quy mô này, một pin mất một phút để sạc có thể duy trì sạc trong “vài năm,” theo James Quach, nhà nghiên cứu chính và lãnh đạo khoa học tại CSIRO, cơ quan khoa học quốc gia Australia.
Thách thức và triển vọng
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu mở rộng quy mô pin trong khi vẫn duy trì khả năng giữ điện. Đây là rào cản chính, vì năng lượng lưu trữ trong pin lượng tử dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường, có thể phá vỡ hoặc loại bỏ hành vi lượng tử trong quá trình gọi là mất kết hợp.
Nếu vượt qua được trở ngại này, ý nghĩa của một pin lượng tử thực tế có thể rất sâu sắc. Ví dụ, sạc từ xa qua laser có thể mở ra nhiều cơ hội hơn cho pin trong drone hoặc máy bay vì chúng có thể được sạc giữa không trung.
Andrew White, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Công nghệ Lượng tử tại Đại học Queensland, cho biết ứng dụng ban đầu có thể là cung cấp năng lượng cho máy tính lượng tử với chi phí năng lượng rất thấp.
Pin lượng tử không chỉ là một bước tiến – nó là một cuộc cách mạng tiềm năng trong cách chúng ta nghĩ về năng lượng. Và có lẽ, tương lai mà chúng ta từng chỉ thấy trong khoa học viễn tưởng đang đến gần hơn bao giờ hết.
