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Quantenbatterien brechen die Kausalität. Eine neue Art, Batterien aufzuladen, macht sich die Kraft der "unbestimmten kausalen Ordnung" zunutze



chemische Batterien

In herkömmlichen Batterien durchqueren geladene Teilchen während des Aufladens eine Menge anderer Partikel in eine Richtung, um dann in die entgegengesetzte Richtung zu sprinten und die gespeicherte Energie freizusetzen.

Dieses Hin und Her der Teilchen führt dazu, dass manche auf ihrem Weg abgelenkt werden, bis die Batterie ihre Kapazität verliert und zu schnell Energie verliert, um noch nützlich zu sein.


Chemiche Batterien

Doch Physiker, die sich dieser Herausforderung annehmen, erforschen neue Methoden der Energiespeicherung in praktischen tragbaren Geräten. Sie nutzen dafür ein besonderes quantenphysikalisches Phänomen, das Zeitverzerrungen und andere ungewöhnliche Effekte ermöglicht.

"Moderne Batterien für Geräte mit geringem Energieverbrauch, wie Smartphones oder Sensoren, nutzen typischerweise chemische Elemente wie Lithium zur Ladungsspeicherung. Ein Quantenakku hingegen setzt auf mikroskopische Partikel, wie Atom-Arrays", erläutert Yuanbo Chen, Physik-Doktorand an der Universität Tokyo.

In ihrer neuesten Forschungsarbeit haben Chen und der Physiker Gaoyan Zhu vom Beijing Computational Science Research Centre, einer Einrichtung der China Academy of Engineering Physics, mit Kollegen zusammengearbeitet, um die Idee eines Quantenakkus zu testen. Dieser ermöglicht gleichzeitige Ladevorgänge und verbessert so die Energiespeicherung und thermische Effizienz.

"Während den klassischen Gesetzen der Physik unterliegen, sind mikroskopische Partikel von ihrer Natur her quantenmechanisch. Wir haben daher die Möglichkeit, Methoden zu erforschen, die unsere intuitiven Vorstellungen von Vorgängen im Kleinen verbiegen oder sogar brechen", sagt Chen.

Chen, Zhu und ihre Kollegen sind nicht die Ersten, die sich vorstellen, wie ein Quantenakku funktionieren könnte, aber sie haben ihre Ideen in einem Laborversuch mit Lasern, Linsen und Spiegeln experimentell getestet.

2019 legte ein Team kanadischer Forscher einen Entwurf für einen Quantenakku vor, der nie seine Ladung verliert. Ihr Konzept, das noch rein theoretisch ist, beruht auf einem anderen quantenmechanischen Mechanismus: einem, der Quantenkomponenten in einen 'dunklen Zustand' lockt, in dem das Material nicht mit seiner Umgebung interagieren oder Energie verlieren kann.

Zhu und seine Kollegen setzen bei ihrem Ansatz auf ein Quantenphänomen namens Überlagerung, das für das Quantencomputing bekannt ist. Dabei existieren Partikel in einem Wirbel möglicher Zustände, bis sie gemessen werden.


Quantenzustände, Quantenmechanik

Diese Überlagerung stört auch die natürliche Ordnung der Zeit, wie Forscher kürzlich gezeigt haben.

In der klassischen Physik und im Alltagsleben können Ereignisse nur linear oder in fester Reihenfolge stattfinden. Denken Sie an Ursache vor Wirkung oder Ereignis A (Schalter umlegen) vor Ereignis B (das Licht geht an).

Im Quantenbereich jedoch bricht diese lineare Ordnung zusammen, und die Überlagerung erlaubt es, dass Ereignisse gleichzeitig auf zwei parallelen Pfaden ablaufen. Auf diese Weise wird die Zeit beeinflusst, denn ein Ereignis, das auf ein anderes folgt, kann auch das Ergebnis beeinflussen, als ob es zuvor stattgefunden hätte, da beide Ereignisreihenfolgen, A vor B und B vor A, gleichzeitig wahr sind.

"Um es einfach auszudrücken, es hat sich gezeigt, dass die Gesetze der Quantenmechanik eine Quantenüberlagerung von Kausalordnungen ermöglichen", erklären Zhu und seine Kollegen.

Um das auf die Energiespeicherung anzuwenden, realisierten die Forscher diesen seltsamen Prozess mit einem Quantenschalter, testeten verschiedene Ladegerätkonfigurationen und schufen ein System, das gleichzeitig von zwei Ladegeräten Energie ziehen kann.

"Wir haben gezeigt, dass die Art und Weise, wie man einen aus Quantenteilchen bestehenden Akku lädt, einen drastischen Einfluss auf dessen Leistung hat", sagt Chen. "Wir beobachteten enorme Gewinne sowohl in der im System gespeicherten Energie als auch in der thermischen Effizienz."

"Darüber hinaus zeigen wir einen kontraintuitiven Effekt auf: Ein relativ weniger leistungsstarkes Ladegerät garantiert einen geladenen Akku mit mehr Energie und höherer Effizienz", berichten die Forscher in ihrer Veröffentlichung.

Obwohl dieser Quanten-'Akku' eher ein Netzwerk von Lasern auf einer Labortischplatte ist und praktische Anwendungen noch Jahre entfernt sind, ist es dennoch eine coole Demonstration der zugrundeliegenden Prinzipien und dessen, was in der Zukunft möglich sein könnte – wenn es nicht bereits in der Vergangenheit geschehen ist.


Die Studie wurde in den Physical Review Letters veröffentlicht.

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1 Comment


Tim Kienzler
Tim Kienzler
Dec 28, 2023

Tolle Website! Genau was ich gesucht habe! 😊

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