Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass ein bisher kaum beachteter Effekt die Entwicklung extrem schneller Energiespeicher deutlich voranbringen könnte.
Physiker:innen untersuchen nun, wie sich Quantensysteme so gestalten lassen, dass sie Energie in Sekundenschnelle aufnehmen oder abgeben.
Wie Superstrahlung den Turbo einschaltet
Physiker:innen haben einen Mechanismus entdeckt, der die Energieabgabe von Quantensystemen stark verändern könnte. Im Zentrum steht ein Effekt namens Superstrahlung, bei dem Atome gemeinsam Licht aussenden – ähnlich wie viele Musiker:innen, die gleichzeitig einen Ton anschlagen. Ein Team der Universität Warschau (Polen) und der Emory University in Atlanta (USA) hat nun gezeigt, dass diese Superstrahlung durch bislang übersehene Wechselwirkungen zwischen den Atomen deutlich verstärkt werden kann. Ihre Ergebnisse wurden im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht. Sie könnten die Grundlage für effizientere Quantentechnologien liefern.
Das Dicke-Modell und die neue Perspektive
Bisherige Berechnungen der Superstrahlung beruhten oft auf dem sogenannten Dicke-Modell. Dieses geht davon aus, dass Atome in einem Resonator – einem kleinen Raum zwischen zwei Spiegeln – fast ausschließlich über Photonen miteinander kommunizieren und sich so synchronisieren. Die neue Studie berücksichtigt nun erstmals auch direkte, kurzreichweitige Wechselwirkungen zwischen benachbarten Atomen, sogenannte Dipol-Dipol-Kräfte. Diese werden in den meisten Modellen zur Licht-Materie-Kopplung bisher vernachlässigt.
Man kann sich das vorstellen wie ein Orchester:
- Altes Modell: Alle Musiker:innen hören nur auf den Dirigenten (das Lichtfeld). Sie spielen synchron, interagieren aber nicht direkt miteinander.
- Neues Modell: Die Musiker:innen hören weiterhin auf den Dirigenten, achten aber zusätzlich auf die Sitznachbarn. Diese direkte Absprache kann die Gesamtleistung verbessern oder stören.
Die Forscher:innen haben nun Wege gefunden, diese „Absprache unter Nachbarn“ in ihre Berechnungen einzubeziehen. Das ist entscheidend, um vorherzusagen, wie stark die Superstrahlung in der Praxis ausfällt. Ein wichtiger Bestandteil dieser Berechnungen ist die Quantenverschränkung. Viele frühere Modelle behandelten Licht und Materie getrennt, wodurch diese Verbindung verloren ging. João Pedro Mendonça, Erstautor der Studie, betont: „Semiklassische Modelle vereinfachen das Problem stark, aber wichtige Informationen gehen dabei verloren.“
Bedeutung für Quantenbatterien
Die neuen Erkenntnisse sind besonders relevant für Quantenbatterien. Dabei handelt es sich um Energiespeicher, die kollektive Effekte nutzen sollen, um sich extrem schnell zu laden oder zu entladen. Superstrahlung ist der zentrale Mechanismus, der diesen Prozess beschleunigen könnte. Bisher war unklar, unter welchen Bedingungen sie optimal wirkt. Das neue Modell zeigt, dass die direkten Atom-Interaktionen die Schwelle für die Superstrahlung senken können. Mendonça erklärt: „Wenn man die Licht-Materie-Verschränkung berücksichtigt, kann man vorhersehen, wann ein Gerät schnell lädt und wann nicht. Das macht einen Effekt, der viele Teilchen betrifft, praktisch nutzbar.“
Trotz der spannenden Ergebnisse handelt es sich bisher nur um Simulationen und theoretische Berechnungen. Eine funktionierende Quantenbatterie existiert noch nicht. Die praktische Umsetzung ist extrem schwierig. Atome in einem Resonator präzise zu kontrollieren und die Wechselwirkungen gezielt zu steuern, stellt eine große Herausforderung dar. Die Forschung liefert jedoch wichtige Erkenntnisse, die auch für Quantenkommunikationsnetze und hochpräzise Sensoren interessant sind.
