La superabsorption prouvée, un pas de plus vers la batterie quantique !

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La possibilité de charger durablement et ultra-rapidement un appareil en énergie grâce aux batteries quantiques ne serait plus une utopie. Le concept a pour la première fois été prouvé et permet un pas de plus vers la conception de ces super-batteries. Des chercheurs de l’Université d’Adélaïde en Australie se sont penchés sur la théorie durant des années et ont pu comprendre que, grâce au phénomène de « superabsorption » qu’ils ont pu démontrer, plus une batterie quantique serait grande, plus elle se chargerait vite.

La technologie lithium-ion a aujourd’hui presque atteint ses limites et de nombreux scientifiques la considèrent comme vieillissante. La faille dans l’autonomie et l’usure de ces batteries pourrait dans un futur proche devenir très problématique, au fur et à mesure que la technologie globale évolue et que la demande en énergie s’accroît (exponentiellement qui plus est).

Le docteur James Quach, l’un des auteurs de l’étude, a évoqué il y a des années qu’une fois conçue, une batterie quantique aurait théoriquement la capacité de se charger en une seule seconde. Ce qui serait une révolution considérable dans un monde constamment en demande d’énergie.

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Les avantages de la superabsorption

Pour pouvoir satisfaire la croissante demande en énergie, de nombreux chercheurs ont misé dans la potentielle conception de batteries quantiques. Ceux de l’Université d’Adélaïde ont basé leur théorie sur le principe d’enchevêtrement et d’intrication des molécules. Il s’agit d’un phénomène selon lequel deux objets quantiquement entrelacés partagent leurs propriétés quelle que soit la distance qui les sépare.

Grâce à ce principe, les molécules peuvent ainsi s’activer ensemble et engendrer un effet de super-absorption. En théorie, plus elles sont ainsi liées et nombreuses, plus leur capacité est grande. Cela pourrait être comparé, dans une certaine mesure, à la capacité d’absorption de la lumière par un matériau x ou y. Ce qui en fait un paradoxe, car plus la batterie est grande, plus vite elle se chargerait. Ce qui est certain, c’est que cela constituerait un avantage de taille dans leur application à grande échelle.

schema superabsorption quantique anneau
Schéma résumant le principe de superabsoption quantique en anneau. Des photons absorbés par l’anneau de superabsorption donnent naissance à des excitons délocalisés. Idéalement, l’anneau maintient une population d’excitons spécifique pour obtenir une absorption accrue. © K. D. B. Higgin et al. (Nature, 2014)

« La superabsorption est un effet collectif quantique où les transitions entre les états des molécules interfèrent de manière constructive », explique Quach dans un communiqué. « L’interférence constructive se produit dans toutes sortes d’ondes (lumière, son, ondes sur l’eau) et se produit lorsque différentes ondes s’additionnent pour donner un effet plus important que l’une ou l’autre onde seule. Fondamentalement, cela permet aux molécules combinées d’absorber la lumière plus efficacement que si chaque molécule agissait individuellement ».

Des conditions réunies pour prouver la théorie

Jusqu’ici, la superabsorption n’avait encore jamais été prouvée sur des échelles suffisamment grandes pour pouvoir envisager la conception d’une batterie quantique proprement dite. Mais les chercheurs australiens ont réussi un exploit grâce à leur dispositif de test.

Dans une expérience, ils ont appliqué une couche active de molécules photoabsorbantes dans une microcavité, entre deux miroirs. Les molécules étaient composées d’un colorant appelé Lumogen-F Orange. Les miroirs, quant à eux, ont été conçus selon une méthode standard de fabrication de miroirs de haute qualité. Dans ce concept, on utilise des matériaux diélectriques (ici du dioxyde de silicium et du pentoxyde de niobium) pour créer un « réflecteur de Bragg distribué ». Le produit final est un miroir qui réfléchit beaucoup plus de lumière qu’un miroir classique. Ce qui est utile pour capturer la lumière à l’intérieur de la cavité, le plus longtemps possible.

experience superabsorption batterie quantique
Schéma du dispositif utilisé pour l’expérience. © J. Quach et al. (2021)

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L’équipe a ensuite utilisé la spectroscopie d’absorption transitoire ultrarapide pour mesurer la façon dont les molécules stockaient l’énergie et à quelle vitesse l’ensemble de l’appareil se chargeait. Il a alors été démontré que plus la taille de la microcavité et le nombre de molécules augmentaient, plus le temps de charge diminuait. C’est la superabsorption.

Perspectives

La batterie quantique pourrait servir de nombreuses applications et domaines. Prouver la théorie vers sa concrétisation est un pas de plus vers cet objectif. Elle pourrait peut-être un jour alimenter des voitures électriques à recharge ultrarapide (quelques secondes pour une recharge complète) ou encore servir pour le stockage d’énergie à flux fluctuants, issue de sources renouvelables par exemple.

Mais « le principal défi est cependant de combler le fossé entre la preuve de principe ici pour un petit appareil et l’exploitation des mêmes idées dans des appareils utilisables, plus grands », explique le docteur Quach. Les prochaines étapes consisteront donc à explorer comment l’expérience peut être combinée avec d’autres moyens de stockage et de transfert d’énergie.

Source : Science Advances

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