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Prototipo de batería cuántica creado por investigadores utiliza láser, capas semiconductoras orgánicas y efectos de la mecánica cuántica para cargarse en un cuatrillonésimo de segundo, manteniendo energía por mucho más tiempo que la carga y abriendo camino a nuevas aplicaciones en almacenamiento energético
Una batería cuántica creada en miniatura por investigadores se cargó con un pulso de láser en un cuatrillonésimo de segundo y mantuvo la carga durante decenas de nanosegundos. La prueba de concepto, descrita en un estudio publicado el 13 de marzo en la revista Light: Science & Applications, apunta a un nuevo camino en el almacenamiento de energía.
La tecnología aún está en fase inicial, pero los autores afirman que, si puede replicarse a escalas mayores, podría alterar profundamente el sector de las baterías. La expectativa incluye aplicaciones de almacenamiento a largo plazo y baterías de alta densidad, especialmente en áreas como vehículos eléctricos pesados, electrificación remota y sistemas de bajo costo.
James Hutchinson, coautor del estudio y profesor asociado de Química Física de la Universidad de Melbourne, afirmó que las baterías cuánticas podrán cargarse mucho más rápido que las baterías tradicionales. Además, también podrán presentar una densidad de energía y durabilidad mucho mayores.
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Batería cuántica cambia reacciones químicas por efectos de la mecánica cuántica
En una batería común de iones de litio, los iones se desplazan entre el cátodo y el ánodo a través de un electrolito. En una batería cuántica, la energía no se almacena de esa forma, sino como excitación electromagnética entre moléculas coherentes.
Estas moléculas comparten estados internos no aleatorios, como energía vibracional o estados electrónicos. Con ello, consiguen mantener una relación fija entre sí, lo que permite un funcionamiento basado en efectos de la mecánica cuántica.
El proyecto utiliza la coherencia cuántica, fenómeno en el que un conjunto de partículas locales puede existir en múltiples estados al mismo tiempo. Aunque estén en una superposición de estados, estas partículas se comportan de manera predecible unas en relación con las otras.
Dentro de la batería, las partículas coherentes pasan por entrelazamiento cuántico. Esto significa que dejan de estar solo alineadas y pasan a actuar como partes funcionalmente idénticas de un sistema mayor.
Este comportamiento es central para la propuesta de la batería cuántica. Permite que todas las moléculas involucradas en el dispositivo se carguen a una velocidad constante, independientemente del tamaño total de la batería.
Cuanto mayor sea el número de moléculas coherentes en el sistema, más eficiente se vuelve la absorción de energía. En la práctica, esto significa que el tiempo de carga puede disminuir a medida que la batería aumenta de tamaño.
Láser, superabsorción y microcavidad explican la carga ultrarrápida
Hutchinson explicó que, al igual que las baterías convencionales, las baterías cuánticas cargan, almacenan y descargan energía. La diferencia radica en el mecanismo utilizado para ejecutar este proceso.
Mientras que las baterías comunes dependen de reacciones químicas, la batería cuántica aprovecha propiedades de la mecánica cuántica. La ventaja señalada por el investigador es la capacidad de absorber luz en un único gran evento de superabsorción, lo que acelera la carga.
Para construir el dispositivo, los investigadores se apoyaron en el modelo de Dicke, utilizado en óptica cuántica. Este modelo afirma que, cuando luz y materia se acoplan por encima de un determinado valor, pueden volverse superradiantes.
La superradiancia ocurre cuando un grupo de emisores libera luz colectivamente en un pulso corto e intenso. En el caso de la batería, este principio ayuda a explicar tanto la rápida absorción de energía como la posterior descarga del sistema.
La estructura práctica del prototipo reúne capas semiconductoras orgánicas intercaladas entre espejos de plata. Estas capas forman una microcavidad, una estructura microscópica que atrapa la luz en un pequeño volumen y permite que sea reflejada varias veces.
La microcavidad se considera esencial porque crea el ambiente confinado necesario para el acoplamiento entre luz y materia. Es en este ambiente donde el sistema alcanza la proporción prevista por el modelo de Dicke y viabiliza la superabsorción.
Esta configuración permite que el grupo coherente de moléculas o átomos emita luz en un pulso unificado, función necesaria para la descarga de la batería cuántica. También posibilita la absorción de luz a una tasa igual al cuadrado del número de moléculas coherentes.
Por encima y por debajo de los semiconductores orgánicos, los investigadores añadieron capas de bloqueo de huecos y de transporte de electrones. Estas garantizan que los electrones puedan fluir hacia el cátodo y los electrodos cuando sea necesario.
Esta organización permite que el dispositivo funcione como una batería. El resultado es una arquitectura que une materiales orgánicos, espejos de plata y efectos cuánticos para almacenar y liberar energía.
Prueba mostró carga en un cuatrillonésimo de segundo
Las pruebas se realizaron en los Laboratorios de Espectroscopia Ultrarrápida y Microespectral de la Universidad de Melbourne. Durante el experimento, los investigadores dispararon un pulso de láser con un ancho de banda de 31 nanómetros por un femtosegundo.
Un femtosegundo corresponde a un cuatrillonésimo de segundo. Este pulso indujo un estado excitado en las moléculas, que permaneció durante decenas de nanosegundos, o varios cientos de millonésimas de segundo.
El resultado indica que la batería logra mantener la carga por un período 1 millón de veces mayor que el tiempo necesario para cargarla. Esta relación entre tiempo de carga y tiempo de retención es uno de los puntos más fuertes de la prueba de concepto.
En esta escala, una batería que tardara un minuto en cargarse podría permanecer cargada durante algunos años. La estimación fue presentada por James Quach, líder científico de CSIRO, la agencia nacional de ciencia de Australia.
El rendimiento observado aún pertenece a un prototipo en miniatura. Aun así, los investigadores tratan el experimento como un paso importante para demostrar que la idea de una batería cuántica puede salir del campo teórico y funcionar en laboratorio.
El próximo desafío es ampliar el sistema sin perder la carga
La próxima etapa de los investigadores será ampliar la batería manteniendo su capacidad de conservar energía. Este punto es considerado un obstáculo crucial para cualquier aplicación práctica de la tecnología.
La dificultad radica en el hecho de que la energía almacenada en baterías cuánticas puede verse afectada por ruidos ambientales. Estos ruidos pueden interrumpir o eliminar el comportamiento cuántico del sistema en un proceso llamado decoherencia.
Superar este problema será decisivo para transformar el prototipo en una tecnología viable. Sin control sobre la decoherencia, la batería puede perder precisamente las propiedades que hacen que su funcionamiento sea diferente al de las baterías tradicionales.
Si se supera este obstáculo, las implicaciones de una batería cuántica práctica podrían ser amplias. Una de las posibilidades mencionadas es la carga remota por láser, que abriría nuevas oportunidades para baterías utilizadas en drones o aeronaves.
En este escenario, estos equipos podrían cargarse en pleno vuelo. La aplicación dependería de una versión más grande y estable de la tecnología, capaz de mantener la carga y resistir las interferencias del ambiente.
Andrew White, quien lidera el Laboratorio de Tecnología Cuántica de la Universidad de Queensland, señaló otra posible aplicación inicial. La batería cuántica podría usarse para alimentar computadoras cuánticas con un costo de energía muy bajo.
El estudio sitúa la tecnología en una fase de demostración, aún distante de uso comercial. Aun así, el prototipo muestra que una batería cuántica puede cargar, almacenar y descargar energía utilizando efectos de la mecánica cuántica, abriendo camino para nuevas investigaciones en almacenamiento energético.
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