量子电池从光中获取能量

借助一种利用量子力学的新设备，它可以更有效地吸收光子，您的夜间模式照片可能会变得更加清晰。该设备被称为量子电池，可以存储吸收光子的能量，只需用光照射即可充电——这不仅对于iPhone微光摄影来说是个好消息，对于太阳能电池板来说也是如此，因为太阳能电池板可以使用类似的技术更快地捕捉太阳能量。

在普通的储能介质中，充电时间与电池大小成比例增加，如汽车电池。然而，量子力学效应使我们有可能创造出具有能量吸收能力的系统，这种能量吸收能力会随着系统变大而急剧增加，这就是所谓的超吸收。这种系统能使研究人员能够制造出一种电池，这种电池会随着体积的增大，充电速度会更快，在某种程度上与我们的直觉相反。

图1，充电的未来：一种利用量子效应的电池，比传统电池充电更快，可以应用于手机摄像头和其他小型设备。（提供：iStock/Quardia）

在镜子之间捕捉光线

来自澳大利亚阿德莱德大学的詹姆斯·奎奇（James Quach）及其同事，分别来自意大利米兰理工大学和国家研究中心（CNR），英国圣安德鲁斯大学，谢菲尔德大学和赫里奥瓦特大学，在《Science Advances》杂志上介绍了最新的研究：他们利用一种有机染料分子制造了一种量子电池，商标为Lumogen-F Orange。这类染料分子可以建模为一个有效的二能级系统，其中分子最有可能处于以下两种状态：具有最小能量的基态，或具有更高能量的激发态。如果激光以正确的波长照射，它可能会吸收光子并跳到激发状态。

为了确保这些染料分子有效地吸收光子，研究人员将其悬浮在非活性聚合物的基质中，并将其放置在由两个反射镜组成的空腔中。由于普通的反射镜（简单地说是涂有反射金属的玻璃片）的反射性不足以将光子捕获在腔体中，为此，研究团队使用了交替的介电材料层来制造一种称为分布式布拉格反射器的装置。

当激光束射入这个高反射腔时，染料分子吸收光子并跃迁到激发态。它们吸收的能量可以通过发送探测光束并监测其反射程度来估计：一旦被激发，分子就不能吸收更多的光子，所以它们会反射。因此，测量反射光的强度可以告诉你有多少染料分子被激发，以及染料电池吸收了多少能量。

正确的浓度

为了测量电池的充电速率，该小组必须开发超快测量技术，以在10-14秒的时间尺度连续快速地对空腔进行充电和探测。研究人员还测量了不同浓度染料的吸收特性，同时保持充电功率不变。值得注意的是，随着染料浓度的增加，给空腔充电所需的时间减少了，这意味着给一个微腔中的N个分子充电所需的时间比给每个微腔中包含一个分子的N个微腔充电所需的时间要少。这种现象是超吸收的特征，因为染料分子之间共享的量子纠缠使它们比分子本身更好地捕获光子。

鉴于这一结果，人们可能想知道，通过将染料浓度增加到任意高的水平，是否有可能制造出瞬间充电的电池。然而，不幸的是，这些分子相互作用的方式以及在极高浓度下与光的相互作用方式发生了变化，从而使电池远离了超吸收。另一个缺点是，当染料分子吸收能量更快，释放能量也更快。虽然快速放电对于某些应用（如电动汽车充电）可能是可取的，但对于理想情况下应能长时间储存能量而不消耗能量的电池来说，这并不好。

在这种特殊情况下，噪音起到了拯救作用。如果设备中的噪声恰到好处，当被激发的染料分子转向一种被称为“暗模式”的东西时，吸收-耗散循环就会中断，在这种模式下光子发射会受到很大的抑制。

相机中的空腔

虽然这个实验中的染料分子很擅长吸收能量，而且你可以在一个空腔中存储一点能量，但一个有用的电池需要能够从空腔中提取能量，然后才能为手机或智能手表供电，或者将能量传输到一个可以长期存储的位置。要做到这一点，研究小组需要在腔中添加额外的组件，以电流的形式将染料激发传输到外部。Quach说：“目前，我们制造的原理验证设备仍然很小，而且充电是在光照下进行的，因此，即时应用程序需要在这些限制条件下工作。”由于超吸收是一种普遍的量子力学现象，他补充道，它也可能在其他系统中表现出来。

一个基于腔的量子电池的应用是改善用于太阳能电池和相机的光伏电池的低光能捕获。然而，在我们能够在实验室外可靠地使用超吸收之前，还有大量的工作要做。例如，今天的太阳能电池和相机可以存储各种波长的能量，但本实验中演示的量子电池只能吸收特定频率的光。Quach说，他和他的同事对扩大系统规模持乐观态度，他们正在研究储存和传输能量的方法，目的是生产一种可以轻松集成到现有技术中的设备。