量子电池自放电难题获突破

　　近日，兰州大学物理学院传来喜讯，其与湖北大学、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院合作，在量子电池研究方面取得重要进展。他们提出了一种巧妙的方案，可以有效缓解量子电池的自放电现象，这一成果发表在物理学顶级期刊《PhysicalReview Letters》。

　　现代电子设备的快速发展对储能装置提出了更高的要求，例如小型化、高功率密度和更大的存储容量。量子电池作为一种利用微观世界独特量子特性进行储能的新型装置，有望在体积、充电速度、存储容量和能量提取效率等方面超越传统电池。然而，量子电池的发展并非一帆风顺。由于微观世界中普遍存在的退相干效应，量子电池在使用过程中会出现自发放电现象。这就像一个水桶有了裂缝，即使装满了水，也会逐渐漏掉。自发放电严重限制了量子电池的实际应用，成为研究者亟待解决的关键问题。

　　兰州大学联合团队的研究，正是聚焦于解决这一难题。他们提出了一种基于金刚石氮—空位（NV）色心体系的量子电池方案，能够有效延缓自放电。金刚石是一种由碳原子组成的晶体，在其中一些碳原子被氮原子取代，并形成一个空位，就形成了氮—空位色心。这种色心具有独特的量子特性，可以用来构建量子电池。研究人员利用金刚石氮—空位色心中的电子自旋作为量子电池的“电极”。但电子自旋容易受到周围环境的干扰，尤其是金刚石中碳—13原子核自旋的影响，导致电子自旋退相干，从而引发量子电池的自放电。

　　为了解决这个问题，研究团队发现，量子电池中的能量有两种存在形式：相干可提取功和非相干可提取功。相干可提取功可以理解为“有组织”的能量，而非相干可提取功则较为“混乱”。研究人员发现，相干可提取功的衰减速度比非相干可提取功慢，也就是说，“有组织”的能量更不容易流失。因此，他们提出，如果在量子电池充电过程中，能够提升相干可提取功的占比，就能有效增强量子电池对自放电的抵抗能力。

　　更巧妙的是，金刚石氮—空位色心体系中，电子自旋与附近的氮—14原子核自旋之间存在一种特殊的超精细耦合作用。这种耦合作用就像一个“开关”，可以用来控制电子自旋的状态，从而调节相干可提取功的占比。研究人员正是利用这种超精细耦合作用，实现了对量子电池可提取功的优化和自放电的有效控制。

　　这项研究首次在理论上实现了对量子电池能量提取效率的优化和自放电的有效抑制，为未来量子电池的物理实现提供了重要的理论指导。此外，这项研究也充分展现了金刚石氮—空位色心体系在量子能源器件开发方面的巨大潜力。

　　这并非该团队在量子电池领域的首次突破。早在2024年，他们就提出了抗老化的远距无线充电量子电池方案。此次在自放电缓解方面的进展，是他们在量子电池研究领域的又一重要成果。（记者 郑魁）