Các nhà khoa học Australia làm việc trong phòng thí nghiệm để chế tạo nguyên mẫu pin lượng tử. Ảnh: CSIRO
Theo tờ The Guardian (Anh) ngày 18/3, các nhà khoa học Australia cho biết họ đã phát triển thành công nguyên mẫu pin lượng tử đầu tiên trên thế giới ở mức “chứng minh khái niệm” (proof-of-concept) - một bước tiến quan trọng hướng tới các loại pin có thể sạc gần như tức thì trong tương lai.
Pin lượng tử, được đề xuất lần đầu vào năm 2013, là một ý tưởng dựa trên các nguyên lý của Quantum Mechanics để lưu trữ năng lượng. Khác với pin truyền thống, công nghệ này có tiềm năng đạt hiệu suất cao hơn đáng kể nhờ tận dụng các hiện tượng lượng tử.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã chế tạo được một nguyên mẫu có thể sạc không dây bằng laser, đồng thời có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng - điều mà các thiết kế trước đó chưa làm được.
Hoàn thiện chu trình của một “viên pin”
Trưởng nhóm nghiên cứu, James Quach thuộc CSIRO (Cơ quan Khoa học Quốc gia Australia), cho biết đây là lần đầu tiên một nguyên mẫu pin lượng tử thực hiện được đầy đủ chu trình hoạt động.
“Đây là nguyên mẫu đầu tiên có thể thực hiện toàn bộ quá trình của một viên pin: sạc, lưu trữ năng lượng và xả điện”, ông Quach nói.
Trong các loại pin thông thường, thời gian sạc thường tăng lên theo kích thước. Đó là lý do điện thoại có thể sạc trong khoảng 30 phút, trong khi xe điện cần nhiều giờ hoặc qua đêm.
Ngược lại, pin lượng tử lại có một đặc tính rất khác biệt: khi kích thước tăng lên, thời gian sạc có thể giảm xuống. Hiện tượng này được giải thích bởi cái gọi là “hiệu ứng tập thể” (collective effects), trong đó các đơn vị lưu trữ năng lượng ở cấp độ lượng tử có thể tương tác với nhau để tăng tốc quá trình sạc.
Sạc siêu nhanh, nhưng giữ năng lượng còn hạn chế
Trước đây, nhóm nghiên cứu đã từng chứng minh được đặc tính sạc nhanh của pin lượng tử vào năm 2022, nhưng chưa thể khai thác năng lượng từ hệ thống đó.
Trong nguyên mẫu mới, được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications, các nhà khoa học đã đạt được bước tiến quan trọng khi có thể vừa sạc vừa xả năng lượng.
Pin được sạc chỉ trong vài femtosecond - tương đương một phần triệu tỷ giây - và có thể giữ năng lượng trong vài nanosecond, tức lâu hơn khoảng một triệu lần so với thời gian sạc.
Để dễ hình dung, theo ông Quach, nếu một viên pin cần một phút để sạc, thì với tỷ lệ này, nó có thể giữ điện trong vài năm.
Tuy vậy, dung lượng hiện tại của nguyên mẫu vẫn còn rất nhỏ, chỉ ở mức vài tỷ electron-volt. Mức năng lượng này chưa đủ để cung cấp điện cho bất kỳ thiết bị thực tế nào.
“Điều chúng tôi cần làm tiếp theo là kéo dài thời gian lưu trữ năng lượng”, ông Quach nói. “Nếu muốn ứng dụng vào thực tế, pin phải giữ được điện lâu hơn nhiều so với vài nanosecond”.
Một nhà nghiên cứu đang cầm trên tay mẫu thử nghiệm pin lượng tử siêu nhỏ. Ảnh: CSIRO
Tiềm năng ứng dụng rộng mở
Dù còn ở giai đoạn rất sớm, pin lượng tử được kỳ vọng sẽ mở ra những khả năng hoàn toàn mới trong lĩnh vực năng lượng.
Một trong những ứng dụng tiềm năng nhất là trong quantum computer - nơi yêu cầu nguồn năng lượng ổn định, hiệu quả và có thể cung cấp theo cách “đồng bộ” với các trạng thái lượng tử.
Ngoài ra, do có thể sạc không dây bằng laser, pin lượng tử còn mở ra viễn cảnh sạc từ xa. Ví dụ, một thiết bị như drone có thể được sạc trong khi đang bay, mà không cần hạ cánh.
Trong tương lai xa hơn, công nghệ này thậm chí có thể thay đổi cách con người sử dụng năng lượng trong đời sống hàng ngày. Người dùng có thể sạc các thiết bị hoặc phương tiện di chuyển gần như ngay lập tức, hoặc thậm chí sạc khi đang di chuyển mà không cần dừng lại tại trạm sạc.
Vẫn còn xa mới đến ứng dụng thương mại
Dù vậy, các chuyên gia cho rằng pin lượng tử vẫn còn một chặng đường dài trước khi có thể được ứng dụng rộng rãi.
Andrew White, giáo sư tại Đại học Queensland, nhận định nghiên cứu này là một bước tiến đáng kể, chứng minh rằng pin lượng tử không chỉ là một ý tưởng lý thuyết mà đã trở thành một nguyên mẫu hoạt động.
Tuy nhiên, ông cũng lưu ý rằng công nghệ này sẽ chưa thể xuất hiện trong các ứng dụng phổ biến như xe điện trong tương lai gần.
“Có lẽ lĩnh vực đầu tiên mà pin lượng tử tạo ra tác động sẽ là máy tính lượng tử”, ông White nói, “Ở đó, chúng có thể cung cấp năng lượng một cách hiệu quả với chi phí năng lượng tối thiểu.”
Dù nguyên mẫu hiện tại còn nhiều hạn chế về dung lượng và thời gian lưu trữ, các nhà khoa học tin rằng đây là một bước tiến quan trọng trong việc biến pin lượng tử từ lý thuyết thành công nghệ thực tế.
Việc chứng minh rằng một hệ thống có thể vừa sạc, lưu trữ và giải phóng năng lượng dựa trên các nguyên lý lượng tử mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu năng lượng trong tương lai.
Nếu những thách thức về kỹ thuật có thể được giải quyết, pin lượng tử không chỉ giúp rút ngắn đáng kể thời gian sạc, mà còn có thể thay đổi cách con người tiếp cận và sử dụng năng lượng - từ các thiết bị điện tử nhỏ đến những hệ thống công nghệ tiên tiến nhất.