Hé lộ mẫu pin lượng tử đầu tiên trên thế giới

Pin lượng tử, lần đầu được đề xuất vào năm 2013, vận hành dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử để lưu trữ năng lượng và được kỳ vọng có hiệu suất cao hơn so với các loại pin truyền thống.

Các nhà khoa học Australia làm việc trong phòng thí nghiệm phát triển nguyên mẫu pin lượng tử. Nguồn: Stefan Stoev/CSIRO

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một nguyên mẫu có thể sạc không dây bằng laser và cho rằng đây là bước tiến lớn hướng tới việc phát triển các hệ thống pin lượng tử hoàn chỉnh với khả năng sạc cực nhanh.

Tiến sĩ James Quach, trưởng nhóm nghiên cứu thuộc Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Khối Thịnh vượng chung (CSIRO), cho biết: “Đây là nguyên mẫu đầu tiên thực hiện trọn vẹn một chu trình của pin, nghĩa là bạn có thể sạc, lưu trữ năng lượng và sau đó xả điện.”

Ở các loại pin thông thường, thời gian sạc tăng theo kích thước thiết bị. “Đó là lý do điện thoại di động của bạn mất khoảng 30 phút để sạc, trong khi xe điện phải mất cả đêm,” Quach nói.

Ngược lại, “pin lượng tử có một đặc tính rất đặc biệt là kích thước càng lớn thì thời gian sạc càng ngắn,” ông cho biết. Điều này xuất phát từ hiện tượng gọi là “hiệu ứng tập thể”, trong đó các tế bào lượng tử sạc nhanh hơn khi số lượng tăng lên.

Một nhà nghiên cứu cầm trên tay nguyên mẫu pin lượng tử cỡ nhỏ. Nguồn: CSIRO

Nhóm nghiên cứu của Quach lần đầu chứng minh đặc tính này vào năm 2022, nhưng khi đó chưa thể trích xuất năng lượng từ hệ thống. Ở nguyên mẫu mới, được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications, quá trình sạc chỉ mất vài femtosecond (một phần triệu tỷ giây) và năng lượng được lưu trữ trong vài nanosecond - dài hơn khoảng sáu bậc độ lớn so với thời gian sạc.

Để dễ hình dung, Quach cho biết với một hệ thống mất một phút để sạc, mức chênh lệch sáu bậc độ lớn có thể tương đương với việc “giữ được năng lượng trong vài năm”.

Tuy vậy, dung lượng của nguyên mẫu hiện vẫn rất nhỏ, chỉ ở mức vài tỷ electron volt, “rất nhỏ và chưa đủ để cung cấp năng lượng cho bất kỳ ứng dụng hữu ích nào”, ông nói.

“Điều chúng tôi cần làm tiếp theo là kéo dài thời gian lưu trữ,” Quach cho biết thêm. “Bạn cần pin giữ được năng lượng lâu hơn vài nanosecond nếu muốn có thể gọi điện thoại.”

Trong tương lai, các hệ thống pin lượng tử hoàn chỉnh với khả năng sạc gần như tức thời có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy tính lượng tử hoặc các thiết bị điện tử quy mô nhỏ.

Do có thể sạc không dây bằng laser, công nghệ này cũng mở ra khả năng sạc từ xa. “Ví dụ, bạn có thể đặt pin lượng tử trên một thiết bị bay không người lái và sạc khi nó đang bay,” Quach nói. “Khi công nghệ này hoàn thiện, bạn sẽ không còn cần dừng xe tại trạm xăng để sạc nữa, mà có thể sạc ngay trên đường.”

Giáo sư Andrew White, người đứng đầu phòng thí nghiệm công nghệ lượng tử tại Đại học Queensland và không tham gia nghiên cứu, nhận định đây là “một nghiên cứu rất tốt, cho thấy pin lượng tử không còn chỉ là ý tưởng mà đã trở thành một nguyên mẫu hoạt động”.

Tuy nhiên, ông cũng lưu ý rằng các loại pin này “sẽ chưa thể xuất hiện trên các phương tiện như xe điện trong thời gian gần”, nhưng “nhiều khả năng lĩnh vực đầu tiên chịu tác động sẽ là máy tính lượng tử”.

Theo White, pin lượng tử có thể cung cấp năng lượng “một cách đồng bộ với chi phí năng lượng tối thiểu cho các hệ thống này”.

Ngọc Lâm