Pin lượng tử đầu tiên trên thế giới: Bước đột phá đưa công nghệ “sạc tức thời” tiến gần hiện thực

Một nhóm nghiên cứu tại Australia vừa công bố phát triển thành công nguyên mẫu pin lượng tử đầu tiên trên thế giới, đánh dấu bước tiến đáng chú ý trong hành trình hiện thực hóa công nghệ năng lượng dựa trên cơ học lượng tử - lĩnh vực đã được đề xuất từ năm 2013.

Khác với pin truyền thống, pin lượng tử vận hành dựa trên các nguyên lý lượng tử để lưu trữ năng lượng, hứa hẹn mang lại hiệu suất vượt trội. Điểm đặc biệt của nguyên mẫu mới là khả năng sạc không dây bằng laser, mở ra hướng tiếp cận hoàn toàn mới cho các hệ thống năng lượng trong tương lai.

Tiến sĩ James Quach, trưởng nhóm nghiên cứu thuộc Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Khối Thịnh vượng chung (CSIRO), cho biết đây là nguyên mẫu đầu tiên thực hiện trọn vẹn một chu trình pin: từ sạc, lưu trữ đến xả năng lượng. “Đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể vận hành đầy đủ một hệ thống pin lượng tử”, ông nhấn mạnh.

Các nhà khoa học Australia làm việc trong phòng thí nghiệm phát triển nguyên mẫu pin lượng tử. Nguồn: Stefan Stoev/CSIRO

Một trong những đặc tính nổi bật của pin lượng tử là mối quan hệ “ngược chiều” giữa kích thước và thời gian sạc. Nếu như pin thông thường cần nhiều thời gian hơn khi dung lượng tăng, chẳng hạn điện thoại mất khoảng 30 phút để sạc, còn xe điện có thể mất cả đêm, thì pin lượng tử lại càng lớn càng sạc nhanh.

Hiện tượng này xuất phát từ “hiệu ứng tập thể”, trong đó các tế bào lượng tử tương tác với nhau, giúp tăng tốc quá trình nạp năng lượng khi số lượng tăng lên. Nhóm của James Quach từng chứng minh hiệu ứng này vào năm 2022, song khi đó chưa thể trích xuất năng lượng từ hệ thống.

Ở nguyên mẫu mới, quá trình sạc chỉ diễn ra trong vài femtosecond (một phần triệu tỷ giây), trong khi năng lượng có thể được lưu trữ trong vài nanosecond - dài hơn khoảng sáu bậc độ lớn so với thời gian sạc. Theo cách hình dung của nhóm nghiên cứu, nếu một hệ thống mất một phút để sạc, thì mức chênh lệch này tương đương khả năng giữ năng lượng trong vài năm.

Dù vậy, nguyên mẫu hiện vẫn ở quy mô rất nhỏ, với dung lượng chỉ vài tỷ electron volt chưa đủ để phục vụ bất kỳ ứng dụng thực tế nào. “Thách thức tiếp theo là kéo dài thời gian lưu trữ năng lượng. Một viên pin muốn dùng cho điện thoại cần giữ được năng lượng lâu hơn nhiều so với vài nanosecond”, ông Quach cho biết.

Một nhà nghiên cứu cầm trên tay nguyên mẫu pin lượng tử cỡ nhỏ. Nguồn: CSIRO

Trong dài hạn, pin lượng tử được kỳ vọng sẽ tạo ra bước ngoặt cho các thiết bị điện tử và đặc biệt là máy tính lượng tử, nhờ khả năng sạc gần như tức thời và cung cấp năng lượng đồng bộ. Ngoài ra, việc có thể sạc không dây bằng laser còn mở ra kịch bản truyền năng lượng từ xa, chẳng hạn sạc cho thiết bị bay không người lái ngay khi đang hoạt động, hay thậm chí sạc xe điện ngay trên đường di chuyển.

Đánh giá về nghiên cứu, Giáo sư Andrew White, Giám đốc phòng thí nghiệm công nghệ lượng tử tại Đại học Queensland, nhận định đây là bằng chứng rõ ràng cho thấy pin lượng tử đã vượt qua giai đoạn ý tưởng. Tuy nhiên, ông cũng lưu ý công nghệ này khó có thể sớm xuất hiện trên các phương tiện như xe điện, mà nhiều khả năng sẽ được ứng dụng trước tiên trong lĩnh vực máy tính lượng tử - nơi yêu cầu nguồn năng lượng chính xác, đồng bộ và hiệu quả cao.