“体积越大充电越快” 挑战宏观逻辑的量子电池问世

参考消息网报道 据西班牙《趣味》月刊网站3月19日报道，在日常世界中，能量定律是线性的且可预测的：如果给一块锂电池充电需要一小时，那么给10块相同的电池充电，要么需要10倍的能量，要么（通过串联充电）需要10倍的时间。然而，在微观尺度上，这些定律不再适用。

由澳大利亚阿德莱德大学物理学家领导并发表在英国《自然》周刊旗下《光：科学与应用》杂志上的一项研究，成功研制出了首个可工作的量子电池原型。由基兰·海马斯和詹姆斯·郭（音）领导的团队证明，得益于一种被称为“超吸收”的现象，该设备的充电时间会随着尺寸的增大而缩短。这是一种“超扩展”行为，即分子完美地协同作用，从而捕获巨大能量的集体效应。

这一突破是下一代技术的重要里程碑，因其已不再局限于理论模拟。该研究的重要意义在于，研究人员制造出了一个物理装置，能够利用环境光为充满有机半导体分子的微腔供电，完成完整的电能充放电循环。

这款看似违背常理的电池背后的秘密在于“超吸收”。在传统系统中，每个分子或原子独立吸收光，就像雨中单独接满雨水的桶一样。相反地，在郭设计的量子电池中，分子被限制在共振微腔内，迫使其与光进入强耦合状态。在此状态下，分子不再作为个体行动，而是开始表现得像一个巨大的量子实体。

但这对用户意味着什么？实验结果证实，随着腔内分子数量的增加，吸收光能的能力不仅会叠加，还会以超线性方式倍增。数据表明，系统的充电功率增长速度快于其体积增长速度，这意味着尺寸更大的量子电池充电速度将远快于小尺寸电池。正是这一现象使得系统一旦达到必要的临界质量，能量捕获就能近乎瞬间完成，从而突破了当前电子设备充电缓慢这一瓶颈。

这种集体效应是应用量子力学中最具潜力的前景之一。通过迫使分子“同步”，海马斯的装置使进入微腔的光被捕获的效率接近理论极限。科学研究表明，这类电池的性能取决于量子相干性，即分子在不受环境噪声干扰的情况下保持着这种“集体舞”的能力。

与此前仅能证明能量吸收的尝试不同，这项研究首次成功将电荷传输层整合到微腔内部。这使得捕获的光能可直接转化为可用电能。研究人员已证实，该设备可通过光脉冲充电，随后以受控方式释放能量，从而完成商业电池所特有的能量循环。

如此微小的结构如何能产生可测量的电流？该装置使用的有机染料与手机OLED屏幕中使用的染料类似。当受到光子撞击时，这些染料会进入激发态，而借助微腔结构，这种激发态会瞬间扩散到整个系统中。数据表明，该装置能够以超扩展的功率将光能转化为电能，这意味着其产生的电流远超单个染料分子的能力之和。

这一技术突破，使我们得以探讨“稳态量子电池”的概念，这一概念此前仅停留在纯理论推测阶段。这种集体捕获光能并将其转化为电能的能力，不仅为电池研究开辟了全新路径，也为新型光伏电池指明了方向，这种电池有望在极低光照条件下，或在以百万分之一秒计的时间尺度内完成充电。

尽管这种“体积越大充电越快”的装置令人振奋，但应用物理学要求我们必须保持严谨的科学态度。目前，研究仍处于微观尺度。这些电池极其微小，其运行依赖于维持量子相干性。这是一种极其脆弱的状态，一旦系统与外界的热量或振动发生交互，这种状态就会迅速消失（这一过程称为退相干）。

此外，制造过程也需要纳米级精度，以确保微腔能精确地在合适的光频率下发生共振。（编译/刘丽菲）