Cosa sono le batterie quantiche superveloci e a cosa servono

Una batteria con un tempo di ricarica superveloce, inversamente correlato alla quantità di energia immagazzinata, che in futuro potrà essere applicata a caricabatterie senza fili, celle solari e macchine fotografiche per aumentare il potenziale energetico sia in termini di stoccaggio sia in quelli di erogazione.

L'idea è alla base del lavoro sulle batterie quantiche superveloci condotto dai ricercatori dell'Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr e del Politecnico di Milano, che hanno costruito una batteria che, seguendo le leggi della fisica quantistica, presenta appunto un tempo di ricarica inversamente correlato alla quantità di energia immagazzinata.

Lo studio è pubblicato su Science Advances, dove il team di ricercatori ha affrontato nel dettaglio il processo di ricerca e sviluppo sul tema aprendo - per ora almeno a livello concettuale - nuove opportunità per le tecnologie di cattura, immagazzinamento e trasporto dell'energia in un'epoca in cui il tema è diventato di importanza centrale.

Le batterie quantiche sono una nuova classe di dispositivi di accumulo di energia che operano secondo i principi della fisica quantistica, la scienza che studia l'infinitamente piccolo dove non sempre valgono le leggi della fisica classica.

Tersilla Virgili dell'Istituto di fotonica e nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ifn) e Giulio Cerullo del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano hanno dimostrato con la collaborazione di altri gruppi di ricerca internazionali che è possibile fabbricare un tipo di batteria quantica dove il potere di ricarica aumenta più velocemente aumentando la capacità  della batteria.

"Le batterie quantiche presentano una proprietà contro-intuitiva in cui il tempo di ricarica è inversamente correlato alla capacità della batteria e cioè alla quantità di carica elettrica immagazzinata - spiega Tersilia Virgili - Ciò porta all'idea intrigante che il potere di carica delle batterie quantiche sia super-estensivo e cioè che aumenti più velocemente con le dimensioni della batteria".

Il dispositivo fabbricato dai ricercatori è una microcavità in cui il materiale attivo è costituito da molecole organiche disperse in una matrice inerte: "Ogni molecola rappresenta un'unità che può esistere in uno stato di sovrapposizione quantistica di due livelli di energia (fondamentale ed eccitato), simile al modo in cui un qubit, l'unità base di informazione quantistica, può essere sia 0 che 1 contemporaneamente nei computer quantistici", spiega Giulio Cerullo.

Costruendo la batteria quantica in un modo in cui le unità possono esistere in sovrapposizione, il sistema totale può quindi comportarsi collettivamente. Questo comportamento, noto come "coerenza quantistica", consente alle unità di agire in modo cooperativo, dando origine a una carica iper-veloce che dipende dal numero delle molecole-unità.

I ricercatori hanno proseguito spiegando nel dettaglio il processo: "Le proprietà dei sistemi fisici possono essere tipicamente classificate come intensive (cioè sono indipendenti dalle dimensioni del sistema, come la densità) o estensive (cioè, crescono in proporzione alle dimensioni del sistema, come la massa) - si legge nell'abtract dello studio - Tuttavia, in alcuni casi, gli effetti cooperativi possono portare a un ridimensionamento superesteso.

La velocità con cui la materia emette o assorbe la luce può essere modificata dal suo ambiente, come è chiaramente esemplificato dal fenomeno ampiamente studiato della superradianza, l'effetto di potenziamento della radiazione in diversi contesti".

Il processo inverso, il super assorbimento, "è più difficile da dimostrare a causa delle sfide dei processi ultra veloci di sondaggio ed è stato osservato solo per un piccolo numero di atomi. La sua idea centrale - il ridimensionamento superestensivo dell'assorbimento, il che significa che i sistemi più grandi assorbono più velocemente - è anche l'idea chiave alla base delle batterie quantiche".

Nel processo di costruzione della batteria quantica superveloce è stato implementato a livello sperimentalmente un modello paradigmatico di una batteria quantistica, costruita con la microcavità che racchiude un colorante molecolare. La spettroscopia ottica ultra veloce ha consentito ai ricercatori di osservare la dinamica di carica con una risoluzione di femtosecondi per dimostrare velocità di carica e capacità di archiviazione super estese, in accordo con la modellazione teorica.

"Il nostro lavoro apre opportunità future per sfruttare gli effetti collettivi nell'accoppiamento luce-materia per le tecnologie di cattura, stoccaggio e trasporto dell'energia su scala nanometrica", spiegano i ricercatori, sottolineando come in futuro la batteria quantica superveloce potrà essere applicata in vari ambiti scientifici e tecnologici come per esempio caricabatterie senza fili, celle solari e macchine fotografiche.