Físicos están imaginando nuevas formas de almacenar energía en dispositivos portátiles útiles, aprovechando un extraño fenómeno cuántico que distorsiona el tiempo, entre otros sucesos inusuales.
Interpretación artística. Crédito: MysteryPlanet.com.ar.
«Las baterías actuales para dispositivos de baja potencia, como teléfonos inteligentes o sensores, suelen utilizar productos químicos como el litio para almacenar carga, mientras que una batería cuántica utiliza partículas microscópicas como conjuntos de átomos», explicó Yuanbo Chen, estudiante de posgrado en física en la Universidad de Tokio.
En su trabajo más reciente, Chen colaboró con el físico Gaoyan Zhu del Centro de Investigación en Ciencias Computacionales de Pekín, y sus colegas, para probar la idea de crear una batería cuántica que permita etapas de carga simultáneas, mejorando así el almacenamiento de energía y la eficiencia térmica.
En una batería típica, iones cargados se desplazan en una dirección a través de una masa de otras partículas mientras la batería se recarga, para luego regresar velozmente en la dirección opuesta y liberar la energía almacenada cuando se requiere. Los iones van y vienen, algunos desviándose en el camino, hasta que la capacidad de la batería se agota y pierde energía demasiado rápido como para ser de utilidad. Crédito: VeComoHacerlo.
«Aunque las baterías químicas están regidas por las leyes clásicas de la física, las partículas microscópicas son de naturaleza cuántica, por lo que tenemos la oportunidad de explorar formas de utilizarlas que doblen o incluso rompan nuestras nociones intuitivas de lo que sucede a pequeña escala», comentó Chen.
El enfoque de Zhu y sus colegas se basa en un fenómeno cuántico conocido como superposición —comúnmente asociado con la computación cuántica— donde las partículas existen en un torbellino de estados posibles hasta el momento en que se miden. Este solapamiento de posibilidades también altera el orden natural del tiempo, como han demostrado recientemente los investigadores.
Rompiendo la causalidad
En la física clásica y la vida cotidiana, los eventos solo pueden ocurrir de manera lineal o en un orden fijo —causa antes del efecto, como tocar un interruptor (evento A) antes de que se encienda la luz (evento B)—. En el ámbito cuántico, empero, ese orden lineal se descompone y la superposición permite que los eventos se desarrollen a lo largo de dos caminos paralelos simultáneamente. De alguna manera, esto altera el tiempo porque un evento que sigue a otro también puede influir en el resultado como si hubiera ocurrido antes —ya que ambos órdenes de eventos, A antes que B y B antes que A, son simultáneamente verdaderos—.
«En pocas palabras, se ha descubierto que las leyes de la mecánica cuántica permiten la superposición cuántica de órdenes causales», explicaron Zhu y sus colegas.
En el mundo clásico, si intentaras cargar una batería usando dos cargadores, tendrías que hacerlo en secuencia, limitando las opciones disponibles a solo dos órdenes posibles. Sin embargo, aprovechar el novedoso efecto cuántico llamado «orden causal indefinido» (ICO) abre la posibilidad de cargar baterías cuánticas de una manera distintivamente no convencional. Aquí, múltiples cargadores dispuestos en diferentes órdenes pueden existir simultáneamente, formando una superposición cuántica. Crédito: Chen et al., 2023. CC-BY-ND.
Para aplicarlo al almacenamiento de energía, los investigadores utilizaron un interruptor cuántico para este extraño proceso, probaron varias configuraciones de cargadores y crearon un sistema capaz de obtener energía de dos cargadores simultáneamente.
«Demostramos que la forma en que se carga una batería compuesta por partículas cuánticas podría impactar drásticamente su rendimiento», dijo Chen. «Observamos enormes mejoras tanto en la energía almacenada en el sistema como en la eficiencia térmica. Además, revelamos un efecto contraintuitivo: un cargador relativamente menos potente garantiza una batería cargada con más energía y mayor eficiencia».
Configuración de láseres, lentes y espejos usados en los experimentos en el laboratorio. Crédito: Zhu et al., Physical Review Letters, 2023.
Aunque esta «batería» cuántica se asemeja más a una red de láseres en un banco de laboratorio y está a años de cualquier aplicación práctica, sigue siendo una demostración interesante de los principios subyacentes y de lo que podría ser posible en algún momento en el futuro —o del pasado, tal vez, en el mundo cuántico—.
El estudio ha sido publicado en Physical Review Letters.
Fuente: Universidad de Tokio. Edición: MP.