Pin lượng tử đầu tiên mở ra kỷ nguyên sạc 1 phút dùng vài năm

Hãy tưởng tượng một thế giới nơi chiếc xe điện hay điện thoại có thể sạc đầy chỉ trong vài giây thay vì vài giờ, một công nghệ hứa hẹn sẽ "khai tử" cách sạc pin hóa học truyền thống mở ra kỷ nguyên năng lượng không dây siêu tốc.

Trong thế giới hiện đại, thời lượng pin và thời gian sạc luôn là điểm yếu của mọi thiết bị công nghệ, từ những chiếc smartphone cao cấp nhất cho đến xe điện (EV). Tuy nhiên, gần đây, các nhà nghiên cứu từ Úc (dẫn đầu bởi CSIRO cùng Đại học Melbourne và RMIT) đã công bố một đột phá chấn động trên tạp chí danh giá "Nature Light: Science & Applications". Họ đã chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình pin lượng tử, hoàn thành trọn vẹn một chu kỳ từ sạc, tích trữ cho đến xả năng lượng.

Một nguyên mẫu pin lượng tử tí hon vừa làm đảo lộn các quy tắc quen thuộc của công nghệ lưu trữ năng lượng, khi cho thấy khả năng sạc nhanh hơn khi kích thước tăng lên. Phát hiện này mở ra viễn cảnh sạc gần như tức thì và truyền năng lượng không dây trong tương lai, những điều vốn chỉ xuất hiện trong các ý tưởng khoa học viễn tưởng.

Các nhà khoa học Úc làm việc trong phòng thí nghiệm chế tạo nguyên mẫu pin lượng tử. Ảnh: Stefan Stoev/CSIRO

Các nhà khoa học vừa tiến thêm một bước quan trọng trong lĩnh vực công nghệ năng lượng thế hệ mới khi phát triển một nguyên mẫu pin lượng tử có thể sạc, lưu trữ và giải phóng năng lượng.

Dù vẫn ở giai đoạn thử nghiệm, thiết bị này được xem là bước tiến gần nhất từ trước đến nay hướng tới việc tạo ra một pin lượng tử hoàn chỉnh.

Khác với pin truyền thống dựa vào phản ứng hóa học, pin lượng tử hoạt động theo các nguyên lý đặc biệt của vật lý lượng tử.

Những hiệu ứng như chồng chập lượng tử (superposition) hay tương tác giữa ánh sáng và electron giúp loại pin này có khả năng sạc nhanh hơn đáng kể, đồng thời tiềm năng lưu trữ năng lượng cũng lớn hơn.

Dù các pin lượng tử thực tế vẫn chưa sẵn sàng cho thương mại hóa, các tiến bộ mới cho thấy chúng có thể định hình lại cách con người lưu trữ và truyền tải năng lượng trong tương lai.

Nghiên cứu được dẫn dắt bởi cơ quan khoa học quốc gia Australia CSIRO, phối hợp với Đại học RMIT và Đại học Melbourne.

Kết quả đã được công bố vào ngày 13/3 trên tạp chí khoa học chuyên ngành, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực còn khá mới mẻ này.

Nguyên mẫu hoạt động thực tế đầu tiên

Nhóm nghiên cứu không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà đã xây dựng được một thiết bị thử nghiệm hoạt động được.

Theo giáo sư vật lý hóa học Daniel Gómez tại Đại học RMIT, thiết bị này đánh dấu một cột mốc lớn trong lĩnh vực nghiên cứu liên ngành đang phát triển nhanh chóng.

Ông cho biết nhóm đã chứng minh được rằng thiết bị có thể sạc năng lượng, lưu trữ và sau đó giải phóng năng lượng theo yêu cầu.

Đây là bước quan trọng để biến pin lượng tử từ một khái niệm lý thuyết thành công nghệ có thể chế tạo trong phòng thí nghiệm.

Pin lượng tử vận hành dựa trên các nguyên lý cốt lõi của cơ học lượng tử như chồng chập và rối lượng tử, thay vì phản ứng hóa học như pin lithium-ion hiện nay.

Nguyên mẫu được chế tạo dưới dạng một thiết bị hữu cơ nhiều lớp kích thước nhỏ. Điểm đặc biệt là nó có thể được sạc không dây bằng tia laser, cho thấy khả năng truyền năng lượng mà không cần kết nối vật lý trực tiếp.

Một nhà nghiên cứu cầm trên tay nguyên mẫu pin lượng tử nhỏ xíu. Ảnh: CSIRO

Sạc bằng laser và tương lai năng lượng không dây

Điểm gây kinh ngạc nhất của loại pin này nằm ở một hiệu ứng lượng tử hoàn toàn trái ngược với tư duy thông thường là càng có kích thước lớn, tốc độ sạc càng nhanh. Phó Giáo sư James Hutchison, thành viên đội nghiên cứu, giải thích: "Khác với pin thông thường dựa trên phản ứng hóa học, pin lượng tử tận dụng các đặc tính của cơ học lượng tử. Hệ thống này có khả năng hấp thụ ánh sáng trong một sự kiện 'siêu hấp thụ' (super absorption) khổng lồ, giúp nạp đầy năng lượng với tốc độ chóng mặt".

Để chứng minh lý thuyết này, đội ngũ khoa học đã sử dụng hệ thống laser siêu nhanh (Femtosecond Laser) để quan sát các tín hiệu ở cấp độ thời gian cực ngắn. Kết quả xác nhận rằng năng lượng được truyền tải và lưu trữ trong pin lượng tử diễn ra gần như tức thời, vượt xa giới hạn của các loại pin Lithium-ion hiện nay.

Tiến sĩ James Quach, trưởng nhóm dự án tại CSIRO, khẳng định đây là nền móng cho các giải pháp năng lượng thế hệ mới. Không chỉ sạc nhanh, loại pin này còn có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng, một thách thức lớn đối với các công nghệ lượng tử trước đây.

Để thử nghiệm cột mốc lịch sử này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một tia laser để bắn năng lượng vào viên pin. Quá trình sạc đầy chỉ diễn ra trong vòng vài femto giây (một phần triệu của một tỉ phần giây). Tốc độ sạc nhanh đến mức không tưởng này có được là nhờ vào một nghịch lý vật lý lượng tử: Dung lượng pin càng lớn, các phân tử càng tạo ra hiệu ứng tập thể mạnh mẽ, giúp chúng 'hút' và khóa năng lượng nhanh hơn gấp hàng triệu lần so với pin hóa học thông thường.

Điểm đắt giá nhất của công nghệ này nằm ở khả năng lưu trữ. Trao đổi với tờ The Guardian, tiến sĩ James Quach (sống tại Úc), trưởng nhóm nghiên cứu khẳng định: "Khi được phóng to lên quy mô thương mại, một viên pin lượng tử tương tự sẽ chỉ mất đúng 1 phút để sạc đầy và có thể duy trì dòng điện để thiết bị chạy liên tục trong vòng nhiều năm sau đó".

Tác giả chính của nghiên cứu, tiến sĩ James Quach thuộc CSIRO, cho biết kết quả này mở ra một cách tiếp cận hoàn toàn mới cho tương lai năng lượng. Theo ông, thiết bị thử nghiệm đã chứng minh khả năng sạc nhanh, có thể mở rộng quy mô và hoạt động ở nhiệt độ phòng, yếu tố quan trọng để ứng dụng thực tế.

Ông hình dung một tương lai nơi xe điện có thể sạc nhanh hơn thời gian đổ xăng, hoặc các thiết bị điện tử có thể nhận năng lượng không dây từ khoảng cách xa.

Những kịch bản này từng được coi là khó khả thi với công nghệ pin hiện tại, nhưng pin lượng tử có thể thay đổi hoàn toàn cuộc chơi.

Việc sạc bằng laser cũng gợi mở khả năng truyền năng lượng không dây hiệu quả hơn. Trong tương lai, các trạm phát năng lượng có thể cung cấp điện cho thiết bị mà không cần cáp, giúp giảm phụ thuộc vào hệ thống dây dẫn truyền thống.

Điều này đặc biệt hữu ích cho các thiết bị IoT, cảm biến từ xa hoặc thậm chí vệ tinh.

Càng lớn càng sạc nhanh, điều chưa từng thấy ở pin truyền thống

Một trong những phát hiện đáng chú ý nhất là pin lượng tử có thể sạc nhanh hơn khi kích thước tăng lên. Theo nhóm nghiên cứu, đây là đặc điểm hoàn toàn trái ngược với pin hiện nay.

Đồng tác giả nghiên cứu, nghiên cứu sinh tiến sĩ Daniel Tibben tại Đại học RMIT, cho biết nhóm đã phát hiện ra lợi thế bất ngờ này trong quá trình thử nghiệm.

Ông giải thích rằng các pin thông thường không trở nên hiệu quả hơn khi kích thước lớn lên, thậm chí còn gặp nhiều hạn chế về tốc độ sạc và tản nhiệt.

Trong khi đó, pin lượng tử lại thể hiện hành vi ngược lại, mở ra con đường phát triển những hệ thống năng lượng mạnh mẽ và hiệu quả hơn nhiều.

Phát hiện này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Nếu được phát triển thành công ở quy mô lớn, pin lượng tử có thể vượt qua các công nghệ lưu trữ năng lượng hiện nay về cả tốc độ sạc lẫn hiệu suất.

Điều này đặc biệt hấp dẫn trong bối cảnh nhu cầu năng lượng cho xe điện, thiết bị di động và hạ tầng công nghệ đang tăng nhanh.

Ảnh minh họa pin lượng tử.

Bước tiến tiếp theo hướng tới ứng dụng thực tế

Dù kết quả ban đầu rất hứa hẹn, công nghệ pin lượng tử vẫn đang ở giai đoạn đầu. Nhóm nghiên cứu hiện tập trung vào việc kéo dài thời gian giữ năng lượng của pin, yếu tố then chốt để công nghệ này trở nên hữu dụng.

Nếu pin không thể giữ năng lượng đủ lâu, lợi ích về tốc độ sạc sẽ bị hạn chế trong ứng dụng thực tế.

Ngoài ra, các nhà khoa học cũng cần cải thiện độ ổn định, khả năng mở rộng quy mô và chi phí sản xuất.

Những thách thức này không nhỏ, nhưng tiến bộ hiện tại cho thấy pin lượng tử đang chuyển dần từ lý thuyết sang thực tế.

Nếu tiếp tục phát triển thành công, pin lượng tử có thể mang lại hàng loạt thay đổi lớn: sạc nhanh hơn, truyền năng lượng không dây và hiệu suất vượt trội so với pin ngày nay.

Điều này không chỉ tác động đến thiết bị điện tử cá nhân mà còn ảnh hưởng sâu rộng đến xe điện, lưới điện thông minh và cả ngành công nghiệp năng lượng toàn cầu.

Trong bối cảnh thế giới đang tìm kiếm giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn cho kỷ nguyên điện hóa, pin lượng tử có thể trở thành bước đột phá mang tính cách mạng. 

Pin lượng tử sẽ định nghĩa lại khái niệm sạc không dây. Bên cạnh tốc độ và tuổi thọ, công nghệ sạc bằng laser của pin lượng tử sẽ khai tử hoàn toàn các loại dây cáp hay đế sạc vật lý. Hãy tưởng tượng về một viễn cảnh nơi các thiết bị drone có thể tự sạc năng lượng từ xa khi đang bay trên trời, hay những chiếc xe điện chạy băng băng trên đường cao tốc mà không bao giờ phải dừng lại ở trạm sạc vì năng lượng đã được 'bắn' trực tiếp từ các trạm phát laser dọc đường.

Dù hiện tại nguyên mẫu siêu nhỏ này mới chỉ giữ được điện năng trong vài phần tỉ giây, nhưng đây là một bước đệm vững chắc chứng minh lý thuyết lượng tử hoàn toàn có thể ứng dụng vào đời sống. Sau thành tựu dịch chuyển tức thời dữ liệu giữa các máy tính lượng tử của đại học Oxford vào năm 2025, sự xuất hiện của pin lượng tử chính là mảnh ghép hoàn hảo để nhân loại chính thức bước vào một kỷ nguyên công nghệ hoàn toàn không phụ thuộc vào dây dẫn. Khi công nghệ này hoàn thiện, nó không chỉ thay đổi cách chúng ta sạc smartphone mà còn là "cú hích" khổng lồ cho ngành xe điện và mạng lưới lưu trữ năng lượng tái tạo trên toàn cầu.

Tổng hợp theo: thanhnien.vn, vietnamnet.vn, 24h.com.vn