Новости науки и техники

 

Цифровые квантовые батареи – "квантовый прыжок" в хранении энергии

 

Исследователями из Университета Иллинойса (University of Illinois) предложена концепция так называемых цифровых квантовых батарей, которые должны обладать во много раз большей ёмкостью, чем сегодняшние аккумуляторы. Идея предполагает использование миллиардов конденсаторов наномасштабных размеров и основана на квантовых эффектах, проявляющихся на уровне атомов.

Новости СМИ2

Обычные простейшие конденсаторы состоят из пары проводящих пластин, или электродов, разделённых изолирующим слоем материала или воздуха. Прикладывая к ним напряжение, можно создать электрическое поле и позволить заряду накопиться на обкладке. Но возможности конденсатора не бесконечны – по достижении определённой величины заряда возникают такие эффекты, как "искры" между обкладками и утечки, а при некотором уровне напряжённости поля возможен электрический пробой, и весь заряд теряется. Учёные предлагают создать наномассивы конденсаторов, расстояние между электродами которых должно составлять около 10 нм (или 100 атомов). При этом действующие в таком масштабе квантовые эффекты будут сдерживать увеличение концентрации свободных носителей заряда и соответственно утечки. Данное явление нельзя назвать открытием – в течение многих лет о проявлении необычных свойств наноконденсаторами было известно, и причиной предотвращения потери энергии, свойственной для макромира, назывался именно масштаб элементов. Однако, как считает один из авторов концепции Альфред Хаблер (Alfred Hubler) из Университета Иллинойса, "люди не осознавали, что большое значение электрического поля означает большую плотность энергии, и оно может быть использовано для устройств хранения энергии, которые намного превосходят всё существующее сегодня".

Согласно подсчётам Хаблера, итоговая удельная мощность может на порядки превышать любую из применяемых ныне технологий, а количество хранимой энергии – быть в 2-10 раз выше по сравнению с лучшими литий-ионными аккумуляторами. Более того, для производства цифровых квантовых батарей не понадобится модификация используемого в настоящее время литографического процесса, а необходимые материалы – кремний, железо и вольфрам – относительно дёшевы и нетоксичны. Лабораторный прототип Хаблер надеется изготовить уже через год, и устройства либо вовсе не будут терять энергию, либо потери окажутся совсем незначительны при поглощении и высвобождении ими электронов. Но сейчас предлагаемый тип источников питания – это только запатентованная идея. Учёный получил финансирование своих исследований от DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency - Агентство передовых оборонных исследовательских проектов), и теперь предстоит доказать их результативность на практике и ответить критикам.

Схематическое изображение четырёх наноконденсаторов. Катод - прочный проводящий материал, такой как вольфрам или сталь. Анод - нанотрубка в плоской стальной части электрода. Кривые линии отображают линии электрического поля. Изолирующие стенки из оксида кремния

Например, профессор Джоель Шиндел (Joel Schindall) из Массачусетского технологического института (MIT) вообще не уверен, что наноматериалы не разрушатся после накопления заряда. Хотя он признаёт концепцию заслуживающей внимания: "Я заинтригован, потому как у него есть обоснованные аргументы в пользу того, что для таких квантовых размеров эффект накопления энергии по меньшей мере может быть значителен". В некотором смысле концепция представляет собой вариант существующих микро- и наноэлектронных устройств. Как говорит Хаблер, "если посмотреть на это с точки зрения цифровой электроники – это всего лишь флеш-диск". Другой аналог – миниатюрные вакуумные трубки, как в плазменных ТВ. Физики же видят сеть из конденсаторов. "Цифровая" часть следует из факта, что каждый элемент будет адресуем независимо. Поэтому помимо "голой" энергии теоретически возможно хранить данные. Существуют и другие способы повышения характеристик конденсаторов. Так, ультраконденсаторы благодаря увеличению площади поверхности электродов и электролитам способны функционировать быстрее обычных ёмкостей. Шиндел повысил этот параметр и количество хранимого заряда использованием нанотрубок вместо угля на поверхностях электродов в уже созданном прототипе. И хотя Хаблер ещё не достиг практической фазы своей работы, он ссылается на проведенное в 2005 году исследование корейских учёных, показавшее реальность изготовления наноконденсаторов.

22.12.2009, Денис Борн

 

Источник: 3dnews.ru

 

 

 

Создана первая в мире квантовая камера, позволяющая снимать при помощи фотонов, никогда не касавшихся объекта съемки

Традиционные устройства получения изображений, такие, как камеры и рентгеновские аппараты, работают за счет фотонов, которые отражаются от поверхности или проходят сквозь материал снимаемого объекта. А теперь, исследователи из Венского центра квантовой науки и технологий (Vienna Center for Quantum Science and Technology), Австрия, создали новую квантовую технологию получения изображений, в которой объект освещается одним лучом света, а снимок получается при помощи второго луча света, фотоны которого никогда не входили в контакт со снимаемым объектом. Основой такой технологии является квантовое явление, называемое квантовой запутанностью, которое "соединяет" друг с другом фотоны первого и второго лучей света.

Преимущество новой квантовой камеры заключается в том, что объект можно освещать фотонами света с определенной длиной волны, а для формирования изображения объекта могут использоваться фотоны совершенно другой длины волны. Ученые, разработавшие квантовую камеру, уже начали вести работу в направлении различных биотехнологий для получения снимков некоторых образцов, которые могут быть разрушены во время использования традиционных методов съемки.

Напомним нашим читателям, что квантовая запутанность позволяет связать квантово-механические свойства двух или большего количества частиц. К примеру, изменение поляризации одного из запутанных фотонов мгновенно приводит к изменению поляризации второго фотона.

Запутанные фотоны в данном случае получаются внутри специального оптического кристалла, имеющего сильные нелинейные оптические свойства, что позволяет расщепить один фотон света на два фотона, с поведением и свойствами, присущими отдельным фотонам, но запутанным друг с другом на квантовом уровне. Источник оригинальных фотонов и генератор запутанных фотонов являются частью устройства, называемого квантовым интерферометром, которое, ко всему вышесказанному, может производить пары запутанных фотонов, которые никогда не существуют одновременно в один и тот же момент времени. Такая уловка позволяет добиться того, что при уничтожении первого по времени существовании запутанного фотона приведет к тому, что второй фотон разрушится сразу в момент его появления.

В установке-интерферометре, превращенной в квантовую камеру, фотоны света зеленого лазера расщепляются на запутанные фотоны инфракрасного света, один из которых имеет короткую длину волны (short-wave infrared, SWIR, 0.75-1.4 мкм), а длина волны второго фотона находится в диапазоне ближнего инфракрасного света (near infrared, NIR, 1.4-3.0 мкм). Фотоны диапазона SWIR используются только для освещения объекта съемки, а их запутанные "близнецы", фотоны диапазона NIR, используются для получения изображении. Если фотон SWIR беспрепятственно проходит через снимаемый объект, то его фотон-близнец NIR появляется на свет и оставляет на датчике камеры засветку, белый "пиксель". Но, если фотон SWIR поглощается в процессе съемки, то фотон NIR никогда не появляется на белый свет и соответствующее место на датчике остается незасвеченным.

Для проверки работоспособности технологии квантовой съемки ученые использовали кремниевую пластину с нанесенным на нее покрытием, активно поглощающим инфракрасный свет SWIR-диапазона. В этом покрытии методом гравировки было создано изображение кота, символизирующее небезызвестный квантовый парадокс, известный под названием "кошки Шредингера". SWIR-фотоны беспрепятственно проходили через области, подвергнутые гравировке, и полностью поглощались при попадании на другие области кремниевой пластины. А результаты такой съемки можно увидеть на приведенных снимках.

Такая технология позволит создать новые методы квантовой съемки, реализация которых другим способом реализуема с огромными затруднениями или нереализуема вообще. К примеру, при некоторых исследованиях требуется съемка объектов биологического происхождения в серединном диапазоне инфракрасного света (Mid-wavelength infrared, MWIR, 3.0-8.0 мкм). Но, источники света этого диапазона крайне нестабильны и могут обеспечить лишь небольшую освещенность объекта, камеры же, имеющие высокую чувствительность в этом диапазоне, громоздки и дорогостоящи. В отличие от этого, технологии съемки в NIR-диапазоне, использующиеся в системах ночного видения, достаточно отработаны и недороги. Квантовая двухфотонная камера позволит решить эту проблему достаточно просто, освещая MWIR-фотонами снимаемый объект и используя NIR-фотоны для формирования изображения.

 

Источник: tehnowar.ru.

Комментарий от http://oko-planet.su/user/zimorodok/:

"все здорово, если налицо не обратный порядок действий. т.е. при работе с кристаллом некоторого минерала было обнаружено такое интересное его свойство, как расщепление падающего пучка на два и переизлучения их в двух диапазонах инфракрасного излучения. для проверки особенностей разделения и была создана описываемая установка.