Quantenbatterien: Wie Forscher einen übersehenen Effekt für ultraschnelles Laden nutzbar machen wollen
Quantentechnologie: Forscher finden bislang übersehenen Effekt. (Foto: U.P.SD / Shutterstock)
Physiker:innen haben einen Mechanismus entdeckt, der die Art und Weise, wie wir über die Energieabgabe von Quantensystemen denken, verändern könnte. Es geht um einen Effekt namens Superstrahlung, einen kollektiven Lichtausbruch von Atomen.
Ein Team von Forscher:innen der polnischen Universität Warschau und der US-amerikanischen Emory University in Atlanta hat nun gezeigt, wie dieser Effekt durch bisher übersehene Atom-Interaktionen massiv verstärkt werden kann.
Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher:innen im Fachjournal Physical Review Letters. Sie könnten die Grundlage für effizientere Quantentechnologien legen.
Das Dicke-Modell und die übersehene Wechselwirkung
Bisherige Modelle zur Superstrahlung, oft basierend auf dem sogenannten Dicke-Modell, gingen von einer Vereinfachung aus. Sie nahmen an, dass Atome in einem optischen Resonator (einem Raum zwischen zwei Spiegeln) primär über Photonen miteinander „sprechen“ und sich synchronisieren.
Die neue Studie bezieht nun erstmals auch direkte, kurzreichweitige Dipol-Dipol-Kräfte mit ein. Das sind Interaktionen, die direkt zwischen benachbarten Atomen wirken, aber in den meisten Modellen zur Licht-Materie-Kopplung vernachlässigt wurden.
Um das besser zu verstehen, können wir uns die Atome in dem Resonator wie ein großes Orchester vorstellen.
Das bisherige Modell (ohne Dipol-Dipol-Kräfte): Alle Musiker:innen (die Atome) schauen nur auf den Dirigenten (das Lichtfeld/Photon). Der Dirigent gibt den Takt vor, und alle spielen synchron. Das ist im Beispiel die Superstrahlung. Die Musiker:innen interagieren nicht direkt miteinander, sondern nur über den Dirigenten.
Das neue Modell (mit Dipol-Dipol-Kräften): Die Musiker:innen schauen immer noch auf den Dirigenten. Gleichzeitig hören sie aber auch auf ihre direkten Sitznachbarn. Der erste Geiger hört vielleicht, wie der zweite Geiger neben ihm einsetzt (das ist die kurzreichweitige Dipol-Dipol-Kraft).
Diese „Absprache unter Nachbarn” kann den gesamten Effekt nun verändern: Entweder hilft sie dem Orchester, noch präziser und kraftvoller auf den Dirigenten zu reagieren (die Superstrahlung wird verstärkt). Oder die Nachbarn stören sich gegenseitig und bringen den Takt des Dirigenten durcheinander (die Superstrahlung wird behindert).
Die Physiker haben nun einen Weg gefunden, diese „Absprache unter Nachbarn” in ihre Berechnungen einzubeziehen, was entscheidend ist, um vorherzusagen, wie kraftvoll das Orchester am Ende wirklich spielt. Der entscheidende Faktor, der diese neuen Berechnungen ermöglichte, war die explizite Einbeziehung der Quantenverschränkung.
Viele semiklassische Modelle behandeln Licht und Materie als getrennte Einheiten, wodurch diese tiefgreifende Verbindung verloren geht. „Semiklassische Modelle vereinfachen das Quantenproblem stark, aber auf Kosten des Verlusts entscheidender Informationen”, stellen die Autoren in Science Daily klar.
Was das für Quantenbatterien bedeutet
Diese Erkenntnisse sind direkt relevant für die Entwicklung von Quantenbatterien. Dabei handelt es sich um konzeptionelle Energiespeicher, die kollektive Quanteneffekte nutzen sollen, um sich extrem schnell zu laden und zu entladen.
Superstrahlung gilt als der Schlüsselmechanismus, um diese Prozesse zu beschleunigen. Das Problem war bisher, die genauen Bedingungen für eine effiziente Superstrahlung zu definieren.
Das neue Modell zeigt, dass die direkten Atom-Interaktionen die Schwelle für die Superstrahlung senken können. Sie können die für den Effekt nötige Kopplung entweder verstärken oder mit ihr konkurrieren.
„Sobald man die Licht-Materie-Verschränkung im Modell berücksichtigt, kann man vorhersagen, wann ein Gerät schnell lädt und wann nicht. Das macht einen Vielteilcheneffekt zu einer praktischen Design-Regel”, erklärt João Pedro Mendonça, der Erstautor der Studie.
Ein langer Weg vom Modell zur Hardware
Es ist jedoch wichtig, diese Ergebnisse einzuordnen. Bei der veröffentlichten Arbeit handelt es sich um eine computergestützte Simulation und ein theoretisches Modell. Es ist keine Demonstration einer funktionierenden Quantenbatterie.
Die praktische Herausforderung, ein solches System aus Atomen in einem Resonator zu bauen und die Interaktionen präzise zu kontrollieren, bleibt immens. Die Forschung liefert hier eine Design-Regel, aber noch keine Blaupause für ein kommerzielles Produkt.
Dennoch vertieft die Arbeit das grundlegende Verständnis von Quantentechnologien. Die gleichen Prinzipien, die das Laden von Batterien beschleunigen könnten, sind auch für die Entwicklung von Quantenkommunikationsnetzen und hochpräzisen Sensoren von Bedeutung.
