일본 과학자, 에너지 손실을 무시하는 양자 배터리 공개

양자 배터리의 약속

환경 지속 가능성이 점점 더 긴급한 글로벌 관심사가 되면서 연구자들은 차세대 에너지 저장에 대한 새로운 접근 방식을 찾고 있습니다. 양자 배터리(기존 화학 반응이 아닌 중첩, 얽힘, 일관성 등의 양자 현상을 사용하여 에너지를 저장하는 소형화된 이론적 장치)는 전력이 저장되고 전달되는 방식을 재정의할 수 있습니다. 원칙적으로 이러한 배터리는 더 빠른 충전, 더 높은 용량, 에너지 추출 효율성 향상 등 기존 배터리에 비해 여러 가지 이점을 제공할 수 있습니다.

양자 에너지 시스템의 과제 극복

수년간의 제안에도 불구하고 양자 배터리의 실제 구현은 아직까지 이루어지지 않았습니다. 실제 상황에서 이러한 시스템은 양자 시스템이 얽힘 및 중첩과 같은 필수 특성을 잃어 성능이 저하되는 프로세스인 에너지 손실 및 결맞음에 특히 취약합니다. 일반(비토폴로지) 도파관(광자를 유도하지만 굴곡이나 결함에 민감한 채널)을 사용하는 광자 시스템에서는 광자가 가이드 내에서 분산됨에 따라 에너지 효율이 급격히 떨어집니다. 환경 소음, 소산, 구조적 장애 등의 추가적인 문제로 인해 안정성과 보관 효율성이 더욱 저하됩니다.

토폴로지를 활용하여 배터리 성능 향상

이러한 고질적인 문제를 해결하기 위해 국제 연구팀은 이론적 틀 내에서 분석 및 수치 모델링을 사용했습니다. 구조가 비틀리거나 구부러져도 변하지 않는 재료 특성인 위상학적 특성을 활용함으로써 양자 배터리에서 장거리 에너지 전달과 소산에 대한 내성을 모두 달성할 수 있음을 보여주었습니다. 예상치 못한 반전으로 연구원들은 또한 일반적으로 성능을 약화시키는 손실이 특정 조건에서 일시적으로 충전 전력을 증가시킬 수 있다는 사실을 발견했습니다.

획기적인 발견과 향후 시사점

이 연구는 위상학적 양자 배터리를 실용화하는 데 더 가까워지는 몇 가지 유망한 결과를 보여주었습니다. 연구팀은 광 도파관의 위상학적 특성이 거의 완벽한 에너지 전달을 가능하게 한다는 것을 입증했습니다. 충전 소스와 배터리가 동일한 사이트를 점유하는 경우 시스템은 단일 부격자로 제한되는 소산 내성을 얻습니다. 또한 그들은 에너지 손실이 임계 수준을 초과하면 충전 전력이 짧지만 상당한 증가를 경험하여 에너지 손실이 항상 해롭다는 오랜 가정을 뒤집는다는 사실을 발견했습니다.

실제 양자 배터리를 향하여

논문 제1저자인 Zhi-Guang Lu는 “우리의 연구는 위상학적 관점에서 새로운 통찰력을 제공하고 고성능 마이크로 에너지 저장 장치의 실현을 위한 힌트를 제공합니다. 장거리 에너지 전송 및 소산으로 인해 발생하는 양자 배터리의 실제 성능 한계를 극복함으로써 양자 배터리의 이론에서 실제 적용으로의 전환을 가속화할 수 있기를 바랍니다.”라고 말했습니다.

국제 연구팀의 교신 저자인 Cheng Shang은 “앞으로 우리는 이론적 연구와 양자 장치의 실제 배포 사이의 격차를 해소하기 위해 계속 노력할 것입니다. 이를 통해 우리가 오랫동안 구상해 왔던 양자 시대를 열 것”이라고 말했습니다.