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By Lisa Zyga, December 22, 2009
(PhysOrg.com) -- 物理學家建立理論：量子現象能大幅提升電池，有可能增加鋰離子電池的能量密度達 10 倍。根據這項新提議，數十億個奈米級電容器可利用量子效應的優勢來克服電弧形成（electric arcing），一種電氣故障現象，那限制傳統電容器可儲存的電荷數量。
在他們的研究中，Alfred Hubler 與 Onyeama Osuagwu（均屬於 Illinois 大學 Champaign 分校），調查在一個奈米真空管（那幾乎不含氣體）陣列的能量儲存能力。當這些真空管的間隙大小 -- 或著電極間的距離 -- 大約 10 奈米寬時，電弧形成就受到抑制，防止能量喪失。此外，每個真空管能個別處理，使得該技術能數位化，並提供資料儲存與能量儲存產生關連的可能性。
這些物理學家算出這些條件下所展現的大型電場，能導致比現今最好的電池技術高出 2 到 10 倍的能量密度。這些科學家也估計，功率密度（power density，例如充、放電速率）能比今日的電池要大上好幾個數量級。此外，充電與放電的本質避免了傳統電池所面臨的外洩，故這種奈米真空電池所耗損的能量非常小，且壽命幾乎無窮無盡。
科學家們表示，他們也許能在明年打造出電池原型。因為能量密度獨立於所使用的材料，因此奈米真空管能以廉價、無毒的材料製造。這些奈米真空管也能利用現存的光微影技術製造，而且容易與 IC 結合。
至於資料儲存的可能性，這些物理學家解釋，每個奈米真空管能有二個閘，一個能量閘極，一個資訊閘極。每個奈米真空管也能夠個別隨意充電、放電。將 MOSFET 插入奈米真空管之牆中，真空管的狀態就能夠在不充、放電的情況下測定。
"例如，要儲存 22 這個數值，某人可將它轉換成二進位標示 22 = 10110，" 科學家在紙上寫道。"接著使用能量閘極對第一、第三與第四個真空管充電，而第二與第五個真空管則不充電。當能量閘持有電荷時，它在 MOSFET 中誘發電場，抵消一部份來自資訊閘極電極的電場，而那修改了 MOSFET 的臨界電壓（threshold voltage）。"
在讀取期間，一個稍微高於正常臨界電壓的電壓施加至資訊閘極，而 MOSFET 通道將變成導電或仍屬絕緣，端看 MOSFET 的臨界電壓，而這取決於能量閘極上的電荷。流經 MOSFET 通道的電流會被測量並提供二進位碼，重現已儲存的資料。
如同 Hubler 在近期 MIT Technology Review 的一篇文章中所解釋的，數位量子電池概念能以不同方式觀察，成為數種技術的一種變種。
"如果你從數位電子學的觀點來看，它只是一種快閃裝置，" Hubler 說。"如果你從電機工程的觀點來看，你會說，這些是微型化的真空管，像電漿電視中的那些。如果你跟物理學家談，這是一個電容網絡。"
Hubler 已申請 DARPA 資金來開發數位量子電池的原型，並找出當以大量能量增加真空奈米管的負載時，實際上會發生什麼事。
※ 相關報導：
＊ Digital quantum batteries: Energy and information storage in nano vacuum tube arrays
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cplx.20306/abstract
Alfred W. Hubler and Onyeama Osuagwu＊ 靈感來自電漿電視的數位量子電池
Complexity, Volume 15, Issue 5, pages 48–55, May/June 2010
doi:10.1002/cplx.20306
＊ 新自旋電池利用磁場充電
＊ 鋰電池陰極的重要突破
＊ 奈米管＋墨水＋紙＝即用電池
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