Trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Light: Science & Applications, nhóm chuyên gia đến từ Đại học Melbourne và cơ quan khoa học quốc gia Australia CSIRO cho biết họ đã chế tạo thành công nguyên mẫu pin lượng tử ở quy mô vi mô bước tiến được xem là cột mốc đầu tiên trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng lượng tử.

Bên trong phòng thí nghiệm pin lượng tử tại CSIRO. Ảnh: University of Melbourne.

Khác với pin lithium-ion truyền thống, nơi năng lượng được tích trữ nhờ quá trình ion di chuyển giữa cực âm và cực dương, pin lượng tử vận hành dựa trên các hiện tượng của cơ học lượng tử. Trong hệ thống này, năng lượng tồn tại dưới dạng các trạng thái kích thích điện từ được đồng bộ giữa nhiều phân tử.

Theo nhóm nghiên cứu, nền tảng của công nghệ nằm ở hiện tượng gọi là “tính kết hợp lượng tử”  trạng thái mà các hạt có thể tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái khác nhau nhưng vẫn liên kết với nhau như một hệ thống thống nhất. Chính đặc tính này cho phép toàn bộ các phân tử trong pin hấp thụ năng lượng gần như cùng lúc trong một quá trình được gọi là “siêu hấp thụ” (super absorption).

Đây là điểm khác biệt đáng chú ý so với pin thông thường. Với các hệ thống lưu trữ hiện nay, kích thước pin càng lớn thì quá trình sạc thường càng chậm do giới hạn về truyền tải ion và nhiệt lượng. Trong khi đó, về lý thuyết, pin lượng tử lại có xu hướng sạc nhanh hơn khi quy mô hệ thống tăng lên.

Để tạo ra nguyên mẫu đầu tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng nhiều lớp bán dẫn hữu cơ được đặt giữa các gương bạc siêu mỏng nhằm hình thành một khoang vi mô có khả năng giữ ánh sáng bên trong. Sau đó, các nhà khoa học chiếu vào hệ thống một xung laser cực ngắn kéo dài chỉ khoảng một femtosecond tương đương một phần triệu tỷ giây.

Xung laser này kích thích các phân tử chuyển sang trạng thái tích trữ năng lượng. Theo kết quả thí nghiệm, hệ thống có thể duy trì trạng thái đó trong vài chục nanosecond, tức vài chục phần tỷ giây.

Dù khoảng thời gian lưu trữ hiện tại còn rất ngắn, nhóm nghiên cứu cho rằng điều quan trọng không nằm ở con số tuyệt đối mà ở tỷ lệ giữa thời gian sạc và thời gian giữ năng lượng. Nếu nguyên lý này có thể mở rộng sang các hệ thống quy mô lớn hơn, pin lượng tử trong tương lai có thể đạt khả năng sạc gần như tức thời nhưng duy trì năng lượng trong thời gian rất dài.

Các nhà khoa học nhận định công nghệ này có tiềm năng tạo ra thay đổi lớn trong nhiều lĩnh vực tiêu thụ điện năng cao như xe điện hạng nặng, máy bay không người lái hoặc các hệ thống sạc không dây bằng laser khi thiết bị vẫn đang hoạt động. Ngoài ra, pin lượng tử cũng được kỳ vọng hỗ trợ các hệ thống máy tính lượng tử vốn đòi hỏi hiệu suất năng lượng cao và độ ổn định lớn.

Tuy vậy, công nghệ này hiện vẫn ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu và còn đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Một trong những thách thức lớn nhất là hiện tượng “decoherence” hay mất tính kết hợp lượng tử. Khi chịu tác động từ môi trường bên ngoài như nhiệt độ, dao động hoặc nhiễu điện từ, các trạng thái lượng tử dễ bị phá vỡ, khiến hệ thống mất ổn định và giảm hiệu quả lưu trữ năng lượng.

Dù còn cách khá xa khả năng thương mại hóa, nguyên mẫu do các nhà khoa học Australia phát triển cho thấy những nguyên lý của cơ học lượng tử không chỉ giới hạn trong máy tính lượng tử hay truyền thông lượng tử, mà có thể mở rộng sang lĩnh vực năng lượng.

Trong bối cảnh nhu cầu lưu trữ điện ngày càng tăng cùng quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch, pin lượng tử được xem là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng, có khả năng thay đổi cách con người sạc, lưu trữ và sử dụng năng lượng trong tương lai.