Las baterías recargables han cambiado nuestra forma de vivir, desde los teléfonos hasta los vehículos eléctricos. Pero incluso las más avanzadas no están libres de un problema molesto: pierden energía aunque no se estén usando. A esta fuga silenciosa se la llama “autodescarga”, y aunque pueda parecer menor, es un obstáculo importante cuando se busca eficiencia total. ¿Y si la solución no viniera de una mejora en los materiales clásicos, sino de un cambio radical basado en las leyes de la física cuántica?
Un grupo de investigadores en China ha desarrollado un nuevo diseño experimental de batería cuántica que promete resolver ese problema. En lugar de funcionar con química convencional, esta batería se basa en espines electrónicos atrapados en defectos microscópicos de diamantes, lo que le permite almacenar energía de forma más estable. Según el artículo publicado en Physical Review Letters, el nuevo sistema “permite mitigar la autodescarga y optimizar simultáneamente el trabajo extraíble”.
¿Qué es exactamente una batería cuántica?
Una batería cuántica no es simplemente una versión más pequeña de una batería tradicional. Es un dispositivo que almacena energía utilizando las propiedades únicas de los sistemas cuánticos, como la superposición y el entrelazamiento. Estas propiedades no tienen equivalente en la física clásica, y permiten comportamientos extraordinarios.
Por ejemplo, una batería cuántica puede cargarse más rápido gracias al uso de protocolos colectivos basados en la física del entrelazamiento, donde varios componentes se comportan como una sola entidad. Además, puede ofrecer un trabajo extraíble mayor gracias al aprovechamiento de la coherencia cuántica: la capacidad de estar en varios estados al mismo tiempo sin perder energía.
El gran problema de estas baterías, sin embargo, ha sido la decoherencia. Esta ocurre cuando el sistema cuántico empieza a interactuar con su entorno y pierde su estado especial, provocando fugas de energía incluso cuando no se está utilizando. A este fenómeno se le conoce como autodescarga cuántica, y ha sido un gran obstáculo para que estas tecnologías den el salto fuera del laboratorio.
Un diamante con un defecto como corazón de la batería
El equipo liderado por Wan-Lu Song y Jun-Hong An propuso una solución basada en un tipo de estructura conocida como centro de vacante de nitrógeno (NV) dentro de un diamante. Este centro es un tipo de defecto microscópico que aparece cuando un átomo de nitrógeno sustituye a uno de carbono y se forma una vacante a su lado. En este punto, el espín del electrón atrapado puede manipularse con campos de microondas, actuando como una batería cuántica funcional.
La idea principal es utilizar la interacción hiperfina entre ese espín electrónico y el núcleo del átomo de nitrógeno para estabilizar el sistema. Lo interesante es que esta interacción permite controlar coherentemente la energía almacenada, mejorando su resistencia a la decoherencia. Como señalan los autores, “la interacción hiperfina única entre el electrón y el núcleo de 14N... nos permite optimizar coherentemente esta proporción”.
Además, no se necesita ningún cargador cuántico externo. A diferencia de otras propuestas que requieren un sistema adicional para suministrar energía al sistema cuántico, esta batería se carga directamente con microondas, simplificando su diseño y reduciendo interferencias.
Coherencia frente a decoherencia: una lucha invisible
Uno de los hallazgos más importantes del estudio fue que la energía almacenada en forma coherente decae más lentamente que la que está en forma incoherente. En el lenguaje técnico, esto se llama ergotropía coherente, y representa la parte de la energía que puede ser completamente utilizada sin alterar la coherencia del sistema.
Según el artículo, “la ergotropía coherente alcanza su valor máximo cuando la batería está medio cargada y la coherencia cuántica es máxima”. En este punto, la proporción entre energía útil y energía total puede llegar al 100 %. Este dato es crucial: significa que es posible diseñar una batería que conserve su energía durante más tiempo simplemente optimizando su estado cuántico inicial.
Los investigadores demostraron también que el tiempo durante el cual la batería conserva esa energía útil puede multiplicarse por ocho si se maximiza la coherencia. Este resultado no es trivial, porque sugiere una forma práctica de superar el principal obstáculo que enfrentan las baterías cuánticas.
Resultados experimentales y próximos pasos
Aunque este trabajo es teórico, se basa en parámetros realistas y en plataformas que ya se usan en laboratorios. Los centros NV en diamantes se emplean desde hace años en sensores cuánticos y computación cuántica, por lo que la tecnología subyacente ya existe.
De hecho, los autores señalan que “nuestro resultado enriquece la realización de la batería cuántica y sienta las bases para superar el problema de la autodescarga”. El siguiente paso, según ellos, es crear un modelo que funcione con múltiples espines, una batería cuántica de muchos cuerpos que mantenga su energía aún con interacciones complejas.
También tienen previsto probar su comportamiento en condiciones experimentales variadas, lo que permitirá comprobar si la batería resiste perturbaciones externas o si su rendimiento cambia en función de la temperatura o el entorno. Todo esto apunta a una etapa más madura de desarrollo: la transición de las pruebas de concepto a dispositivos funcionales.
Por qué este avance es importante
No se trata solo de tener una batería que aguante más. En una era donde todo, desde los teléfonos hasta los satélites, depende de sistemas energéticos eficientes, la posibilidad de almacenar energía sin pérdidas espontáneas tiene implicaciones enormes. Esto cobra aún más relevancia en dispositivos de muy baja escala, como los sensores biomédicos, los microchips autónomos o los satélites miniaturizados.
Además, esta investigación también representa una nueva forma de entender cómo funciona la energía a nivel cuántico. Más allá de la aplicación inmediata, demuestra que es posible diseñar y controlar sistemas cuánticos para trabajar de forma útil y robusta, lo cual tiene ramificaciones en campos como la computación cuántica, las telecomunicaciones y la física fundamental.
Esta batería cuántica basada en diamantes no solo almacena energía, también guarda la promesa de un futuro energético más preciso, eficiente y sintonizado con la mecánica más profunda del universo.
Referencias
- Wan-Lu Song, Ji-Ling Wang, Bin Zhou, Wan-Li Yang, Jun-Hong An. Self-Discharging Mitigated Quantum Battery. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/d9k1-75d4.
