左侧面板显示了充电过程的草图：delta 参数随时间变化，从 δ_0 到 δ_0+δ_1，然后返回到 δ_0，从而改变了相邻自旋之间相互作用的强度。当二聚化参数发生变化时，电池在时间间隔 [0，τ] 内充电。右侧面板显示了 QB 中存储的能量随时间的变化图。从这张图中，我们可以确定可以停止充电过程的三个不同区域，如论文中所讨论的那样。图片来源：Grazi 等人。

在过去的几年里，一些研究人员一直在研究利用量子力学原理的替代储能系统。这些系统被称为量子电池，可能比传统电池技术更高效、更紧凑，同时还可以实现更快的充电时间。

在最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，热那亚大学的一个研究小组介绍了一种新的自旋量子电池，这种电池利用粒子的自旋自由度来储存和释放能量。这种电池以独特而有利的方式充电，无需外部磁场。

“量子多体理论和非平衡物理学是热那亚大学毛拉·萨塞蒂 （Maura Sassetti） 领导的量子凝聚态理论小组的传统话题，”该论文的资深作者达里奥·费拉罗 （Dario Ferraro） 告诉 Phys.org。

“在这个框架中，我的同事 Niccolò Traverso Ziani 专注于研究可分析求解的量子自旋链，而我则研究量子电池——能够利用量子力学原理储存能量的微型设备。我们认为 Riccardo Grazi 的硕士论文可以是一个很好的借口，让我们的研究兴趣结合起来。

Ferraro 和他在热那亚大学的同事最终能够将他们对自旋量子电池的研究扩展到具有大量元素的状态。这是迄今为止使用设计自旋量子电池的常用方法无法实现的目标。

“我们的量子电池可以看作是两个 1/2 自旋集合的插层，这是最简单的量子系统，”Ferraro 解释说。“通过适当改变两条链元素之间的相互作用，例如将一条链相对于另一条链进行移动，就可以以稳定的方式将能量捕获到量子电池中。”

Ferraro 和他的同事开发的协议与现有的自旋量子电池设计相比具有多种优势。最值得注意的是，它允许他们的电池通过一种不依赖于外部磁场存在的新机制进行充电。

“我们工作的主要成果包括探索自旋量子电池的替代充电协议，该协议基于系统内部参数之一的时间依赖性调制，以及在构成设备的大量元件的限制下研究该协议的可能性，”费拉罗说。

“我们认为这将为量子电池的研究开辟新的有趣前景，包括使用中性原子等系统实现量子电池的可能性，这些系统目前是大规模量子计算机竞赛的领先平台之一。”

Ferraro 和他们的同事在一系列初步测试中评估了新的自旋量子电池设计和充电协议。他们的结果非常有希望，并突出了他们提出的充电方法的稳健性，该方法不需要很高的准确性即可实时操纵电池。

未来，这项研究可能为开发新型高性能和稳定的固态量子电池铺平道路。与此同时，Ferraro 和他的同事计划继续研究他们的自旋量子电池充电协议，同时探索其对其他环境因素的敏感性。

Ferraro 补充道：“我们目前正在探索温度和远程相互作用等因素如何影响一大类量子电池的充电过程，其中包括我们论文末尾已经简要讨论过的 Ising 模型。“我们的主要目标是确定一个适用于各种系统的通用框架，以确定它们是否适合作为量子电池实施。”

更多信息：Riccardo Grazi 等人，控制可集成自旋量子电池中的储能跨越量子相变，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.197001。在 arXiv 上：DOI： 10.48550/arxiv.2402.09169

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv