Физики создали оптическую квантовую батарею на сверхпоглощении

Физики впервые продемонстрировали эффект сверхпоглощения света с помощью большого числа молекул органического полупроводника. Изучая динамику их поглощения методом абсорбционной спектроскопии в режиме накачки-зондирования с фемтосекундным разрешением, авторы показали, что образцы можно считать прототипом квантовой батареи. Исследование опубликовано в Science Advances.

В начале XX века Альберт Эйнштейн, развивая идеи о том, что свет распространяется порциями (квантами), построил полуклассическую теорию резонансного взаимодействия излучения с двухуровневой системой. Он описал три основных процесса: спонтанное излучение, поглощение и вынужденное излучение. Последнее происходит тогда, когда на возбужденный атом налетает фотон и образуется два идентичных световых кванта. Такое умножение света сыграло ключевую роль в изобретении лазера.

Вместе с тем в середине века Дикке теоретически показал, что спонтанное излучение N излучателей может происходить в коллективном режиме за счет конструктивной квантовой интерференции. Интересным было то, что время излучения при этом сокращается в 1/N раз, а пиковая интенсивность увеличивается в N² раз. Этот эффект, названный сверхизлучением, был впоследствии обнаружен на множестве систем и активно изучается до сих пор. Недавно, например, физики выяснили, что оптоволокно способно поддерживать сверхизлучение двух атомов, разнесенных на расстояние трети миллиметра.

Испускание и поглощение фотонов — это процессы одной природы. Квантовая механика, в свою очередь, обладает симметрией относительно инверсии времени. Это значит, что системы с повышенной скоростью излучения также должны иметь повышенную скорость поглощения. Другими словами, законы физики разрешают эффект сверхпоглощения, который будет обладать теми же характеристиками, что и сверхизлучение. Это значит, что чем больше частиц-поглотителей, тем быстрее система забирает от поля энергию. Эта концепция звучит контринтуитивно, если сравнивать такой процесс с зарядкой обычных батарей, при которой время зарядки растет с их емкостью. Квантовые же батареи могли бы быть полезны для быстрой зарядки электрического транспорта или в системах с взрывным характером подачи энергии, однако пока физики смогли наблюдать сверхпоглощение лишь на небольшом числе атомов.

Группа исследователей из Австралии, Великобритании и Италии под руководством Джеймса Кваша (James Quach) из Аделаидского университета сделала следующий шаг в этом направлении. Они изучали динамику поглощения света молекулами органического полупроводника с различными концентрациями и показали, что оно действительно масштабируется согласно законам сверхпоглощения.

Изготовленные авторами структуры состояли из тонкого слоя маломассивного молекулярного полупроводника Lumogen-F orange, диспергированного в полистирольной матрице в различных концентрациях. Полное количество поглощающих молекул N варьировалось от 1,6×10⁹ до 1,6×10¹¹. Физики располагали эти слои между двумя брэгговскими зеркалами, образующими микрорезонатор.

Они подвергали каждую структуру абсорбционной спектроскопии в режиме накачки-зондирования с фемтосекундным разрешением. Для этого авторы управляли временем задержки между мощным широкополосным импульсом видимого диапазона, возбуждавшего в молекулах электронный переход, и таким же, но менее интенсивным зондирующим импульсом, который давал информацию о пропускаемости образца после накачки. Они меняли интенсивность накачки таким образом, чтобы число фотонов на одну молекулу оставалось постоянным для разных образцов.

Для связи измеряемого сигнала с энергией физикам пришло построить теоретическую модель, которая описывает динамику процесса поглощения. Она опиралась на уравнение Линдблада, описывающее N двухуровневых поглощателей, размещенных в резонаторе с потерями и испытывающих также продольную и поперечную релаксации. Это позволило с помощью подгонки параметров построить зависимость поглощенной энергии от времени в пересчете на одну молекулу. Физики извлекли для каждой конфигурации время и пиковую скорость поглощения (зарядки) и пиковое значение запасенной энергии. Время зарядки уменьшалось, а пиковые значения увеличивались с ростом N, что напрямую свидетельствовало о сверхпоглощении.

Моделирование также помогло выявить роль декогеренции в этом процессе. Дело в том, что сверхпоглощающий материал также должен и сверхизлучать, что и наблюдается в большинстве случаев. Однако авторы так подобрали материалы и параметры образцов, что сразу после поглощения молекулы релаксируют на «темные» состояния, в которых они могут существовать без излучения долгое время и таким образом хранить энергию. Рассуждая о том, как интегрировать такие батареи в привычные устройства, авторы предложили добавлять в структуру дополнительные слои, которые будут способствовать разнесению электрона и дырки и созданию таким способом электрического тока.

Сверхпоглощение — это не единственный механизм работы квантовых батарей. Мы уже рассказывали про то, как для этого можно использовать квантовую запутанность и эффект Парселла.

Марат Хамадеев