Un pulso láser de un femtosegundo —la cuadrillonésima parte de un segundo— bastó para cargar el primer prototipo miniaturizado de batería cuántica jamás construido. El experimento se llevó a cabo en los laboratorios de microespectroscopía ultrarrápida de la Universidad de Melbourne, bajo la dirección de un equipo conjunto de esa institución y del CSIRO, la agencia científica nacional de Australia.
Si la tecnología logra escalar, sus implicaciones para el almacenamiento de energía podrían ser profundas.
Qué es una batería cuántica y en qué se diferencia de una convencional
En una batería de iones de litio convencional, los iones se desplazan entre el cátodo y el ánodo a través de un electrolito, y la energía se almacena mediante reacciones químicas. En una batería cuántica el mecanismo es distinto: la energía se guarda como excitación electromagnética entre moléculas coherentes, es decir, moléculas que comparten estados internos no aleatorios y mantienen una relación fija entre sí.
El fenómeno que lo hace posible se llama coherencia cuántica. Bajo este efecto, un conjunto de partículas existe simultáneamente en múltiples estados —lo que se conoce como superposición— y actúa de forma predecible en relación con las demás. Cuando esas partículas se reúnen en la batería, el entrelazamiento cuántico hace que no estén simplemente alineadas, sino que funcionen como un único sistema mayor.
Esta propiedad tiene una consecuencia práctica relevante: la «superabsorción». La tasa de absorción de luz es proporcional al cuadrado del número de moléculas coherentes, lo que significa que, a medida que la batería crece, el tiempo de carga no aumenta, sino que disminuye. Cuanto más grande es el sistema, más rápido se carga.
Dentro del prototipo: capas orgánicas, espejos de plata y microcavidades
Para construir el dispositivo, el equipo se apoyó en el modelo de Dicke de la óptica cuántica. Ese modelo establece que cuando la luz y la materia se acoplan por encima de un umbral determinado, el sistema puede volverse superradiante: un conjunto de emisores emite luz de forma colectiva en un pulso corto e intenso.
La estructura física del prototipo responde a esa lógica. Capas de semiconductores orgánicos quedan intercaladas entre espejos de plata, formando una microcavidad óptica que confina la luz en un volumen reducido y la hace rebotar repetidamente. Ese confinamiento crea el entorno necesario para alcanzar la relación entre luz y materia que exige el modelo de Dicke.
Sin la microcavidad no sería posible lograr el nivel de acoplamiento que permite la superabsorción. El prototipo incorpora también capas de bloqueo de huecos y transporte de electrones, situadas por encima y por debajo de los semiconductores orgánicos, que garantizan que los electrones puedan fluir hacia el cátodo y los electrodos cuando sea necesario. Sin esas capas, el conjunto sería un experimento óptico, no una batería funcional.
Un femtosegundo para cargar, un millón de veces más para descargar
En los laboratorios de microespectroscopía ultrarrápida de la Universidad de Melbourne, el equipo disparó un pulso láser con un ancho de banda de 31 nanómetros durante un femtosegundo. Ese estímulo fue suficiente para inducir un estado excitado en las moléculas que se mantuvo durante decenas de nanosegundos, es decir, varias centésimas de millonésima de segundo.
La batería retiene la carga durante un millón de veces más tiempo del que necesita para cargarse —no es una mejora marginal respecto a las tecnologías actuales, sino un cambio de orden de magnitud.
James Quach, investigador principal del CSIRO, ofreció una imagen más concreta de lo que eso podría significar a mayor escala. Según declaró a The Guardian, una batería que tardase un minuto en cargarse podría permanecer cargada durante «un par de años». Si esa proyección se confirma en prototipos más grandes, las implicaciones para el almacenamiento de larga duración serían considerables.
El gran obstáculo: la decoherencia y el camino hacia la escala
El principal reto que enfrenta esta tecnología tiene nombre propio: decoherencia. El ruido ambiental —vibraciones, temperatura, interferencias electromagnéticas— puede destruir el comportamiento cuántico y disipar la energía almacenada antes de que pueda aprovecharse. Mantener la coherencia cuántica intacta mientras se escala el prototipo es el problema central que los investigadores deben resolver.
Las aplicaciones potenciales, si ese obstáculo se supera, son variadas. Una de las más citadas es la carga remota mediante láser para drones o aeronaves, que podrían recargarse en pleno vuelo sin infraestructura en tierra. Andrew White, responsable del Laboratorio de Tecnología Cuántica de la Universidad de Queensland, apuntó a The Guardian otra posibilidad más inmediata: alimentar ordenadores cuánticos a un coste energético muy bajo.
El prototipo presentado en Light: Science & Applications es, por ahora, una prueba de concepto —pero es la primera que existe y funciona. Los próximos pasos del equipo se centrarán en escalar el dispositivo sin sacrificar sus propiedades cuánticas, una tarea que determinará si esta línea de investigación permanece en el laboratorio o acaba transformando el modo en que almacenamos y distribuimos energía.