“Mejora colectiva en baterías cuánticas disipativas” es el nombre de la investigación que permitió comparar el rendimiento de un nuevo tipo de batería que funciona a escala cuántica, y cuyo principio de funcionamiento se basa en la interacción entre las partículas de luz (fotones) y la materia.
Durante el estudio se compararon dos configuraciones de baterías cuánticas: una en que los elementos básicos de materia interactúan paralelamente con diferentes fotones (batería paralela) y otra en que todos los elementos básicos de materia interactúan al mismo tiempo con el conjunto de total de fotones (batería colectiva). “Como sabemos, debido a la disipación de energía en el ambiente (es decir, fotones que se pierden) el rendimiento de una batería disminuye, sin embargo, nosotros descubrimos que la batería colectiva baja menos su rendimiento que la paralela, diferencia que se acentúa más a medida que las pérdidas aumentan, un problema muy habitual en experimentos”, explica Javier Carrasco, Magíster en Física de la Universidad de Chile, quien trabajó junto a la investigadora del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO), y académica del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Física de la Universidad de Chile, Carla Hermann.
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El conocimiento previo a esta investigación indicaba que la batería colectiva tenía mejor rendimiento en potencia, pero su desempeño era peor en energía almacenada, al compararla con la batería paralela. Sin embargo, dicha conclusión se basa en un ambiente sin disipación, es decir, sin pérdida de energía, donde la interacción con el entorno no se consideraba. A partir de este nuevo estudio, el equipo descubrió que en una situación más realista en la cual hay pérdidas, la comparación en rendimiento entre ambas configuraciones de batería favorece más a la batería colectiva, que muestra un mejor rendimiento no solo en potencia, sino también en la energía que logra almacenar. “Este efecto es aún más notorio a medida que se escala la batería, es decir, cuando se aumenta el número de elementos básicos de materia y luz que conforman la batería”, menciona Javier Carrasco.
“En un futuro esta investigación nos podría ayudar a fabricar tanto baterías como máquinas térmicas a escala cuántica, las que se podrían utilizar en procesos de otras tecnologías cuánticas, como computadores o comunicaciones cuánticas. Y luego, a una escala mayor, es posible que nos ayude a entender mejor cómo optimizar el traspaso de energías entre sistemas, de forma de ser más eficientes y desperdiciarla menos”, agrega. Además, explica que este estudio es un aporte a la comprensión de la termodinámica en escala cuántica, lo que en sí es un área relativamente nueva de la física.
El estudio se llevó a cabo durante dos años y medio, utilizando cálculos matemáticos analíticos y simulaciones computacionales, y estuvo liderado por Javier Carrasco. Con este descubrimiento Carrasco defendió su tesis de magíster en 2021 y el resultado fue publicado recientemente por Physical Review E, una de las revistas científicas más importantes de la American Physical Society. Junto a él trabajaron los profesores guías Felipe Barra de la U. de Chile, Jerónimo Maze de la Pontificia Universidad Católica de Chile y Carla Hermann de la U. de Chile y del Instituto Milenio MIRO. El equipo docente aportó desde el área de la física teórica y experimental, lo que permitió al estudio tener una mirada desde la termodinámica, la óptica y un análisis de su factibilidad experimental con diferentes sistemas cuánticos de materia.
Ahora, los investigadores continuarán sus estudios en la materia, específicamente en determinar cómo el proceso de extracción de energía de la batería puede afectar a la eficiencia de los ciclos de carga y descarga sucesivos.
La publicación está disponible en https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.105.064119
