Các nhà khoa học tại Đại học Melbourne, Đại học RMIT và cơ quan nghiên cứu quốc gia CSIRO nước này vừa công bố chế tạo thành công nguyên mẫu pin lượng tử đầu tiên trên thế giới, đánh dấu một bước tiến quan trọng mở ra triển vọng thay thế các loại pin hóa học truyền thống trong tương lai.

Điểm đặc biệt của loại pin này là tốc độ sạc tăng lên khi pin có kích thước càng lớn, một đặc tính hoàn toàn trái ngược với pin thông thường. Dù hiện tại nguyên mẫu chỉ có thể lưu trữ năng lượng ở mức rất nhỏ, khoảng vài tỷ electron-volt và duy trì trong thời gian cực ngắn (vài phần tỷ giây), kết quả vẫn được đánh giá là bước chứng minh khái niệm đầy hứa hẹn.

Theo nhà nghiên cứu James Quach từ CSIRO, nhóm đã bắt đầu theo đuổi ý tưởng pin lượng tử từ năm 2018 và tạo ra phiên bản đầu tiên vào năm 2022. Tuy nhiên, phiên bản trước chỉ có thể sạc mà chưa thể xả năng lượng. Ở nguyên mẫu mới, hạn chế này đã được khắc phục.

Về cấu tạo, pin lượng tử được thiết kế dưới dạng một hốc vi mô hữu cơ đa lớp có khả năng bẫy ánh sáng. Thiết bị được sạc không dây bằng tia laser, trong khi các kỹ thuật quang phổ tiên tiến được sử dụng để theo dõi và xác nhận quá trình tích trữ năng lượng.

Cơ chế hoạt động của pin dựa trên các hiệu ứng lượng tử như chồng chập và “hiệu ứng tập thể”, trong đó mỗi đơn vị cấu thành không sạc riêng lẻ mà cùng tham gia vào quá trình tích điện. Nhờ đó, tốc độ sạc được rút ngắn đáng kể khi số lượng đơn vị tăng lên. Về lý thuyết, nếu một hệ gồm N đơn vị, thời gian sạc có thể giảm xuống còn 1/√N so với khi từng đơn vị hoạt động độc lập.

Dù vậy, các nhà khoa học thừa nhận công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Lượng năng lượng lưu trữ hiện nay quá nhỏ, chưa đủ để cung cấp cho các thiết bị điện tử phổ biến như điện thoại thông minh. Thời gian giữ điện tích cũng chỉ kéo dài trong vài nanosecond.

Các nhà khoa học làm việc trong phòng thí nghiệm để chế tạo nguyên mẫu pin lượng tử.

Theo ông Quach, nguyên mẫu hiện tại chủ yếu mang ý nghĩa chứng minh khả năng sạc nhanh và mở rộng quy mô ở nhiệt độ phòng, đặt nền móng cho các hệ thống năng lượng thế hệ mới. Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục cải tiến để tăng dung lượng và kéo dài thời gian lưu trữ năng lượng.

Trong viễn cảnh dài hạn, pin lượng tử có thể kết hợp tốc độ sạc vượt trội với khả năng lưu trữ của pin truyền thống, hoặc trở thành giải pháp phù hợp cho các hệ thống máy tính lượng tử. “Mục tiêu cuối cùng là một ngày nào đó chúng ta có thể sạc xe điện nhanh hơn cả việc đổ xăng, hoặc truyền năng lượng không dây ở khoảng cách xa”, ông Quach cho biết.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications.