Появление квантовых батарей стало революционным шагом в области хранения энергии, обещая кардинально изменить традиционные подходы и технологии. В основе таких устройств лежит использование явлений квантовой механики, таких как суперпозиция и запутанность, обеспечивающих ускоренную зарядку и возможность хранения энергии с необычайной эффективностью. Одним из наиболее перспективных типов квантовых батарей является конструкция по модели Дике, в которой коллективное взаимодействие множества квантовых систем с оптической резонаторной полостью позволяет достигать эффектов суперпоглощения, значительно ускоряющих процесс накопления энергии. Однако эту технологию сопровождает грубое ограничение – быстрая самозарядка, обусловленная усиленной излучательной деятельностью, называемой суперизлучением. Эта особенность сводит на нет одно из основных преимуществ – длительное хранение энергии, что критично для практического применения.
Современные исследования сосредоточены на поиске путей устранения или смягчения проблемы быстрой потери энергии. Прорывом в этом направлении стало использование молекулярных триплетных состояний в качестве своеобразных «энергетических ловушек» с очень длинным временем жизни. В отличие от ярких синглетных состояний, триплетные характеризуются запрещенными переходами по спину, что существенно замедляет их радиационный распад. Этот механизм позволяет добиться резкого увеличения времени сохранения энергии внутри квантовой батареи, обходя ограничения, заложенные принципами суперизлучения. Архитектура модифицированной квантовой батареи основана на многослойной оптической микрокавитаре, где различные слои выполняют отдельные функции.
Донорский слой, обладающий высокой яркостью и сильным взаимодействием с полостью, отвечает за ускоренный процесс зарядки посредством суперпоглощения. Акцепторский слой, напротив, содержит молекулы с эффективным механизмом инверсии спинового состояния – межсистемным переходом – который переводит энергию синглетов в триплеты. Именно в этих триплетных состояниях энергия аккумулируется и хранится в течение значительно более длительного времени, предотвращая быстрое испускание и разрядку. Физическая суть происходящего в устройстве описывается эффективной моделью Джейнса-Каммингса, отражающей взаимодействие фотонного режима полости с молекулярными возбуждениями донорского и акцепторского слоев. Анализ такой модели демонстрирует наличие нескольких поляритонных состояний – гибридов света и вещества.
Ключевым моментом становится резонанс между поляритонами и триплетными состояниями, который регулирует эффективную передачу энергии и влияет на срок её удержания. Экспериментальные образцы с различным энергетическим смещением показывают, что максимальная наработка в триплеты достигается именно при энергетическом совпадении нижнего поляритона и триплетного уровня. Измерения угловой зависимости излучения в видимом диапазоне позволяют выделить характерные особенности взаимодействия. Устройства, у которых наблюдается совпадение энергий поляритона и триплета, демонстрируют снижение интенсивности флуоресценции, что свидетельствует о перераспределении энергии в менее светящиеся, но более долговечные триплетные состояния. Временные характеристики фосфоресценции подтверждают увеличение времени жизни триплетов до десятков микросекунд – это превышение стандартных результатов предыдущих реализаций в более чем сотню раз и открывает реальные возможности для практического использования.
Понимание и описание процессов зарядки и хранения энергии в таких системах приводит к новым критериям оптимизации. Среди них выделяются скорость заполнения триплетных состояний, максимальная достигнутая плотность энергии и время релаксации, связанное с самозарядкой батареи. Важным направлением будущих исследований является выбор молекул с сверхбыстрым инверсным переходом и ещё более длинным временем жизни триплетных состояний, что позволит еще более повысить эффективность и устойчивость устройств. Кроме того, важен переход от лабораторных оптических моделей к реальным приложениям, где энергия, накопленная в триплетах, может быть извлечена в виде электрического тока или другого удобного для использования вида работы. Для этого исследуются гибридные материалы и двухмерные структуры, способные эффективно преобразовывать кванты энергии в электросигналы.
