Úc tạo ra pin lượng tử đầu tiên trên thế giới: phá vỡ mọi quy luật thông thường, pin càng lớn, sạc càng nhanh

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 thành tựu được xem là mang tính lịch sử trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng: 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.

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.

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: pin càng lớn thì sạc càng nhanh.

Với pin lithium-ion thông thường, kích thước và thời gian sạc tỷ lệ thuận với nhau, lý do đơn giản là pin điện thoại mất khoảng 30 phút đến một tiếng để đầy, còn pin xe điện thường cần cả đêm. Pin lượng tử hoạt động theo chiều ngược lại hoàn toàn, và đây chính là đặc tính làm giới khoa học năng lượng phải chú ý.

Cơ chế tạo ra nghịch lý này được gọi là "collective effects" (hiệu ứng tập thể), 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.

Về mặt toán học, nếu 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, TS. James Quach, trưởng nhóm nghiên cứu tại CSIRO, cho biết nhóm của ông 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. Nhóm nghiên cứu 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, tức phần triệu tỷ giây, và lưu trữ năng lượng trong vài nanoseconds.

Nghe có vẻ ngắn ngủi, nhưng thời gian lưu trữ đó dài hơn thời gian nạp tới hàng triệu lần. 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.

Tuy nhiên, ông Quach cũng 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, một con số quá nhỏ để cấp điện cho bất kỳ thiết bị nào trong cuộc sống hàng ngày, và vài nanoseconds lưu điện rõ ràng chưa đủ để thực hiện ngay cả một cuộc gọi điện thoại.

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, vốn là ứng dụng gần nhất và khả thi nhất trong giai đoạn hiện nay.