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Les batteries quantiques pourraient un jour révolutionner le stockage de l’énergie grâce à ce qui semble être un paradoxe : plus la cellule est grande, plus elle se recharge rapidement. Pour la première fois, des scientifiques ont démontré le principe quantique sous-tendant ce phénomène.

La « superabsorption »

Le monde étrange de la physique quantique est rempli de phénomènes qui nous semblent impossibles. Les molécules, par exemple, peuvent être tellement imbriquées qu’elles commencent à agir conjointement, ce qui peut entraîner toute une série d’effets quantiques. Cela inclut la superabsorption, qui augmente la capacité d’une molécule à absorber la lumière.

« La superabsorption est un effet quantique global où les transitions entre les états des molécules interfèrent de manière constructive », explique James Quach, auteur principal de la nouvelle étude, parue dans la revue Science Advances. « Cette interférence se manifeste dans tous les types d’ondes [lumière, son, ondes sur l’eau], et intervient lorsque plusieurs d’entre elles s’additionnent pour donner un effet plus important qu’une onde individuelle. Ainsi, les molécules combinées absorbent la lumière plus efficacement que si chaque molécule agissait individuellement. »

Dans une batterie quantique, ce phénomène aurait un avantage très clair : plus il y a de molécules stockant l’énergie, plus elles seront capables de l’absorber efficacement. En d’autres termes, plus la batterie est grande, plus elle se recharge rapidement. Mais jusqu’à présent, cela n’avait jamais été démontré à une échelle suffisamment importante pour pouvoir envisager la fabrication de telles cellules.

Schéma du dispositif expérimental utilisé par les chercheurs — © J. Quach et al. / Science Advances 2021

Une théorie enfin démontrée

Pour y parvenir, les chercheurs de l’université d’Adélaïde ont placé une couche active de molécules absorbant la lumière (composées d’un colorant appelé Lumogen-F Orange) dans une micro-cavité entre deux miroirs de haute qualité. Composés de couches alternées de matériaux diélectriques (dioxyde de silicium et pentoxyde de niobium), ces derniers réfléchissent beaucoup plus de lumière qu’un miroir typique en métal ou en verre, contribuant à maintenir la lumière plus longtemps à l’intérieur de la cavité.

L’équipe a ensuite utilisé la spectroscopie d’absorption transitoire ultrarapide pour mesurer comment les molécules de colorant stockaient l’énergie et à quelle vitesse l’ensemble du dispositif se chargeait. Il est apparu que le temps de charge diminuait à mesure que la taille de la micro-cavité et le nombre de molécules augmentaient, démontrant ainsi le principe de superabsorption.

Pour l’équipe, les prochaines étapes consisteront à explorer comment le dispositif expérimental pourrait être combiné avec d’autres moyens de stockage et de transfert d’énergie. À terme, une telle avancée pourrait ouvrir la voie à des batteries quantiques pratiques, permettant de recharger rapidement des véhicules électriques ou des systèmes de stockage capables de gérer les salves d’énergie provenant de sources renouvelables.

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