Australia công bố nguyên mẫu pin lượng tử đầu tiên: Bước tiến lớn hướng tới sạc siêu nhanh

Nhóm nghiên cứu tại CSIRO (Cơ quan khoa học quốc gia Australia), do TS. James Quach dẫn dắt, cho biết họ đã tạo ra một nguyên mẫu có thể thực hiện trọn vẹn chu trình của pin: sạc, lưu trữ năng lượng và phóng điện, đánh dấu bước tiến quan trọng từ lý thuyết sang ứng dụng thực nghiệm của công nghệ lưu trữ năng lượng dựa trên cơ học lượng tử.

“Đây là nguyên mẫu đầu tiên thực hiện đầy đủ một chu kỳ pin: bạn có thể sạc, lưu trữ năng lượng và sau đó lấy năng lượng ra sử dụng”, TS. Quach cho biết.

CƠ CHẾ SẠC ĐẶC BIỆT CỦA PIN LƯỢNG TỬ

Đáng chú ý, theo trang News.com.au của Australia, các nhà khoa học hy vọng nguyên mẫu pin lượng tử đầu tiên trên thế giới có thể là bước tiến hướng tới tương lai nơi thời gian sạc xe điện còn nhanh hơn cả thời gian đổ xăng cho xe chạy xăng.

Nguyên mẫu pin lượng tử này được sạc không dây bằng laser, với thời gian sạc chỉ ở mức femto giây (một phần triệu tỷ giây). Năng lượng sau đó có thể được lưu trữ trong khoảng vài nano giây – dài hơn khoảng 6 bậc độ lớn so với các thử nghiệm trước đây.

Để dễ hình dung, theo ông Quach, nếu một loại pin thông thường mất một phút để sạc, thì việc tăng thêm 6 bậc độ lớn tương đương với việc giữ được điện trong “vài năm”.

Pin lượng tử hoạt động hoàn chỉnh - hiện chưa tồn tại - có thể cách mạng hóa cách sử dụng và lưu trữ năng lượng, với hy vọng về một tương lai nơi xe điện sạc nhanh hơn thời gian xe chạy xăng cần để đổ đầy bình nhiên liệu.

Điểm khác biệt cốt lõi của pin lượng tử nằm ở một hiện tượng gọi là “hiệu ứng tập thể”. Trong pin truyền thống, thời gian sạc tăng lên khi kích thước pin lớn hơn – ví dụ điện thoại mất khoảng 30 phút để sạc, trong khi ô tô điện có thể mất hàng giờ hoặc qua đêm.

Ngược lại, với pin lượng tử, số lượng tế bào càng nhiều thì tốc độ sạc càng nhanh. Nhóm của TS. Quach đã lần đầu chứng minh đặc tính này vào năm 2022, nhưng khi đó chưa thể khai thác năng lượng từ hệ thống.

Nguyên mẫu mới đã khắc phục được hạn chế này, cho phép vừa sạc vừa phóng điện – một bước tiến quan trọng.

“Tham vọng cuối cùng của tôi là một tương lai nơi chúng ta có thể sạc xe điện nhanh hơn nhiều so với xe chạy xăng, hoặc sạc các thiết bị ở khoảng cách xa mà không cần kết nối dây”, TS. Quach cho biết.

“Những phát hiện của chúng tôi xác nhận một hiệu ứng lượng tử cơ bản hoàn toàn trái ngược với trực giác: pin lượng tử sạc nhanh hơn khi kích thước của chúng lớn hơn. Pin hiện nay không hoạt động như vậy. Nghiên cứu này chứng minh tiềm năng đầy hứa hẹn của pin lượng tử trong việc lưu trữ năng lượng hiệu quả và nhanh chóng chưa từng có”.

Tiến sĩ Quach cho biết chìa khóa để pin lượng tử hoạt động hiệu quả là thời gian lưu trữ năng lượng. “Thiết bị thử nghiệm của chúng tôi cho thấy khả năng sạc nhanh, có thể mở rộng và lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ phòng, đặt nền móng cho các giải pháp năng lượng thế hệ tiếp theo”, ông nói.

TIẾN GẦN HƠN ĐẾN VIỆC THƯƠNG MẠI HÓA PIN LƯỢNG TỬ 

Andrew White, Giám đốc phòng thí nghiệm công nghệ lượng tử tại Đại học Queensland, nhận định đây là “một công trình rất tốt”, cho thấy pin lượng tử đã vượt qua giai đoạn ý tưởng để trở thành nguyên mẫu hoạt động.

Tuy vậy, ông cũng lưu ý rằng công nghệ này chưa thể sớm xuất hiện trên các phương tiện như xe điện, mà nhiều khả năng sẽ được ứng dụng trước tiên trong các hệ thống máy tính lượng tử.

"Bước tiếp theo đối với pin lượng tử hiện nay là kéo dài thời gian lưu trữ năng lượng của chúng. Nếu chúng ta có thể vượt qua trở ngại đó, chúng ta sẽ tiến gần hơn một bước đến việc chế tạo pin lượng tử khả thi về mặt thương mại.

Tham vọng cuối cùng của tôi là một tương lai nơi chúng ta có thể sạc xe điện nhanh hơn nhiều so với xe chạy xăng, hoặc sạc các thiết bị ở khoảng cách xa mà không cần kết nối dây".

Theo ông White, pin lượng tử có thể cung cấp năng lượng một cách “đồng bộ” và với chi phí năng lượng tối thiểu – yếu tố đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống tính toán lượng tử.

Theo trang The Guardian, khái niệm pin lượng tử lần đầu được đề xuất vào năm 2013, với ý tưởng tận dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử để lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn so với pin truyền thống. Tuy nhiên, cho đến nay, các nghiên cứu chủ yếu dừng ở mức lý thuyết hoặc chưa thể hoàn thiện chu trình hoạt động của một viên pin.

Dù còn ở giai đoạn rất sớm, nguyên mẫu pin lượng tử của Australia được xem là một cột mốc quan trọng, chứng minh tính khả thi của công nghệ này trong thực tế.

Trong tương lai, nếu công nghệ được hoàn thiện, pin lượng tử có thể mở ra hàng loạt ứng dụng mới mang tính đột phá. Nhờ khả năng sạc không dây bằng laser, các thiết bị có thể được nạp năng lượng từ xa mà không cần kết nối vật lý. Điều này đặc biệt hữu ích với drone, khi chúng có thể được cung cấp năng lượng ngay trong lúc đang bay, kéo dài thời gian hoạt động mà không cần hạ cánh.

Ô tô điện cũng có thể được sạc liên tục trên đường, loại bỏ nhu cầu dừng lại tại các trạm sạc. Bên cạnh đó, pin lượng tử cũng có tiềm năng cung cấp năng lượng hiệu quả cho các thiết bị điện tử cỡ nhỏ. Đáng chú ý, một trong những hướng ứng dụng sớm và thực tế nhất được giới chuyên môn đánh giá cao là trong lĩnh vực máy tính lượng tử, nơi đòi hỏi nguồn năng lượng ổn định, đồng bộ và có hiệu suất cao.

“Mặc dù vẫn còn nhiều việc phải làm trong nghiên cứu pin lượng tử, nhưng chúng ta đã có một bước tiến quan trọng hướng tới hiện thực hóa những khả năng đó”, TS. Quach nói.