時間結晶は量子電池になる――エネルギーを時空間で貯める新発想

時間結晶×量子電池

時間結晶とは何でしょうか？

私たちがよく知るダイヤモンドや石英（水晶）などの結晶は、原子が空間的に規則正しく並んだ構造を持ちます。

一方、時間結晶では空間ではなく時間の中で系の状態が繰り返されるのです。

例えば時間結晶では、ある物質の状態が一定の時間間隔で周期的に変化し続け、決して静止した安定状態（熱平衡）に落ち着きません。

「時間結晶とは、系が空間ではなく時間において周期的に自らを繰り返す物質の相です」とフェデリコ・カロロ准教授（英コベントリー大学）は説明します。

外部からエネルギーを与え続ける限り、時間結晶の状態は持続的に振動し続けるという特異な性質を持ちます。

時間結晶は2012年にノーベル賞物理学者フランク・ウィルチェックによって概念が提唱され、近年になって実験的にも実現されつつある新しい物質相です。

その独特の振る舞いから、時間結晶は量子コンピュータの安定化や高精度センサーへの応用など、様々な分野で注目されています。

特に近年では、時間結晶を量子電池に応用できないかというアイデアが研究者の関心を集めています。

量子電池とは量子力学の原理を利用してエネルギーを蓄え・取り出す次世代電池の概念で、従来の電池よりも高速かつ効率的に充放電できる可能性を秘めています。

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しかし時間結晶を本当にこうした技術に役立てるには、まずその熱力学的性質、すなわちエネルギーの流れや出入りを理解する必要があります。

カロロ准教授は「この技術を活用するために必要な資源とその効率を定量的に把握することが重要です。熱力学を使えば、時間結晶相を維持するために必要なエネルギーや放出される熱量を理解できます」と述べています。

どの程度のエネルギーで時間結晶を維持でき、その過程でどれだけエネルギー損失が生じるのか――そうした情報が得られれば、時間結晶の実用化が本当に現実的で効率的かどうか見極める手助けとなるのです。

以上の背景から、カロロ准教授をはじめとする研究チームは、時間結晶の熱力学的挙動を詳しく調べることにしました。

その際に着目したのが、2つの時間結晶を結合させたシステムです。

当初、研究チームは結合した時間結晶を用いて量子エンジン（量子熱機関）を構成することを想定していましたが、解析を進めるうちに、このモデルはむしろ量子電池の動作を記述するのに適していることが判明しました。

本研究はカロロ准教授が率いる国際共同プロジェクトであり、筆頭著者のパウロ・J・パウリーノ氏（ドイツ・テュービンゲン大学）を含む複数の大学の研究者が参加しています。

彼らは理論モデルと数理的手法を駆使して、「結合時間結晶」がエネルギー貯蔵にどう役立つか、その可能性を探ったのです。