طراحی جدید دانشمندان ایرانی برای باتری‌های کوانتومی
دانشمندان ایرانی از طرح جدیدی برای باتری های کوانتومی رونمایی کردند که از قابلیت های مکانیک کوانتومی برای افزایش ذخیره انرژی استفاده می کند.
باتری را تصور کنید که فورا شارژ می شود و انرژی بسیار بیشتری نسبت به بهترین باتری های امروزی در خود نگه می دارد. این ایده نویدبخش یک دستگاه ذخیره انرژی پیشرفته به نام «باتری کوانتومی» است که به پدیده‌های کوانتومی مانند درهم‌تنیدگی و برهم نهی کمک می‌کند.
مریم هادی پور و سروش حشابی، محققین دانشگاه ارومیه، سعید حدادی، محقق از دانشگاه سمنان و دونگ وانگ، محقق دانشگاه آنهویی (دانشگاه آنهویی) در چین، طرحی را برای ساخت چنین باتری ای توسعه داده اند، در صورتی که آزمایش های بعدی تایید شود، از این طرح خارج شده اند. اثربخشی آن، این باتری می تواند طرز تفکر ما در مورد ذخیره انرژی را متحول کند.
دانشمندان در مقاله تحقیقاتی نوشتند باتری های سنتی مانند باتری های لیتیوم یونی، قلیایی و سرب اسیدی که هنوز مورد استفاده قرار می گیرند، بر اساس واکنش های الکتروشیمیایی شامل حرکت یون ها بین دو الکترود از طریق یک الکترولیت کار می کنند. از سوی دیگر، باتری‌های کوانتومی مفهوم جدیدی هستند که از قابلیت‌های مکانیک کوانتومی برای بهبود ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌کنند.
توسعه یک باتری کوانتومی فعال مملو از چالش هایی است. جدی ترین چالش، مشکل حفظ “همدوسی کوانتومی” است، که در آن باتری در چندین حالت کوانتومی به طور همزمان است. این عملکرد برای عملکرد باتری بسیار مهم است، اما می تواند به راحتی مختل شود و تعمیر و نگهداری باتری را دشوار کند.
علاوه بر این، برای عملکرد باتری‌های کوانتومی، اجزای مختلف آنها باید نه تنها با یکدیگر، بلکه با عنصری که وظیفه شارژ باتری را بر عهده دارد، در یک وضعیت ظریف درهم‌تنیدگی باقی بمانند. مشکل شکنندگی این حالات کوانتومی است که به راحتی در اثر برهمکنش با محیط خارجی مختل می شوند و عملاً حذف کامل این برهمکنش ها غیرممکن است.
محققان در این پروژه طرحی ساده اما خلاقانه برای باتری کوانتومی ارائه کردند که می تواند این مشکلات را حل کند. این طرح شامل یک اتم منفرد است که حالت های کوانتومی آن برای ذخیره انرژی به همراه یک حفره میانی حاوی میدان الکترومغناطیسی استفاده می شود. این حفره واسطه فعل و انفعالات بین اتم و محیط آن است و می تواند از وضعیت ظریف باتری کوانتومی در برابر اختلالات مخرب خارجی محافظت کند.
دانشمندان در این مقاله می نویسند: وجود یک حفره بینابینی می تواند چندین اثر داشته باشد. این می تواند به عنوان راهی برای محافظت از باتری کوانتومی در برابر اختلالات خارجی یا حفظ وضعیت کوانتومی ظریف باتری عمل کند. این حفره می تواند به حفظ انسجام و انسجام که از عوامل حیاتی در سیستم های کوانتومی هستند کمک کند. بنابراین، این میانجیگری می تواند منجر به فرآیندهای انتقال انرژی کنترل شده و کارآمدتر شود.
این روش جدید اهمیت محیط را برای عملکرد باتری کوانتومی برجسته می کند. دو نوع محیط اصلی برای ارزیابی سیستم های کوانتومی وجود دارد که شامل محیط های بدون حافظه و محیط های متاثر از حافظه می شود.
در یک محیط بدون حافظه، محیط خارجی باتری، مانند شارژر یا هوا، هیچ اطلاعاتی در مورد فعل و انفعالات گذشته با آن حفظ نمی کند. در یک محیط بدون حافظه، این فعل و انفعالات هیچ اثر ماندگاری بر محیط ندارد. گویی هر بار که باتری با محیط خود ارتباط برقرار می کند، برای اولین بار این اتفاق می افتد.
مطالعه و کار با این نوع محیط هم از نظر تئوری و هم از لحاظ عملی آسانتر است. از آنجایی که محیط اطلاعات را ذخیره نمی کند و تحت تأثیر رویدادهای گذشته قرار نمی گیرد، درک و پیش بینی عملکرد باتری آسان تر است. با این حال، همیشه نمی تواند پیچیدگی محیط های واقعی یا سیستم های کوانتومی را به دقت منعکس کند. به همین دلیل، کاربرد و قدرت پیش بینی آن ممکن است محدود باشد.
رسانه‌هایی که تحت تأثیر حافظه قرار می‌گیرند شامل رسانه‌هایی با اثرات حافظه مانند کریستال‌ها یا سیستم‌هایی با چند اتم درهم‌تنیده هستند. در این محیط‌ها، اجزا تعاملات گذشته خود را با باتری کوانتومی به یاد می‌آورند. این حافظه به حفظ انسجام کوانتومی باتری کمک می کند و حالت های کوانتومی ظریف آن را ثابت نگه می دارد، زیرا محیط می تواند تبادل انرژی را در طول زمان بهتر مدیریت و کنترل کند. این ویژگی امکان شارژ و دشارژ دقیق باتری را فراهم می کند. با این حال، کار با چنین محیط هایی به دلیل عوامل و تعاملات متعددی که باید در نظر گرفته شود، پیچیده تر است و مطالعه و استفاده عملی را چالش برانگیزتر می کند.
این گروه تحقیقاتی دریافتند که اگرچه حافظه پیچیده‌تر است، اما ظرفیت باتری و میزان استخراج انرژی را 10 تا 20 درصد افزایش می‌دهد.
علاوه بر این، دانشمندان در این مقاله نوشتند: مشاهده شد که در طول فرآیند شارژ، انرژی به دست آمده از باتری کوانتومی با افزایش قدرت جفت حفره-باتری افزایش می یابد، اما با تقویت جفت حفره-متوسط کاهش می یابد. همچنین مشاهده شد که حداکثر مقدار کار قابل دستیابی توسط یک سیستم کوانتومی با بهبود جفت حفره-باتری افزایش می یابد و با بهبود کوپلینگ موثر حفره متوسط کاهش می یابد.
گام های بعدی دانشمندان انتقال نتایج این تحقیق به یک نمونه اولیه کار است تا به صورت تجربی تایید شود. علاوه بر این، از آنجایی که طراحی باتری آنها فقط یک اتم دارد، انتظار می رود ظرفیت حاصل حتی در شرایط ایده آل بسیار کم باشد. برای اینکه یک باتری کوانتومی واقعاً کاربردی شود و نسبت به طرح‌های سنتی مزایایی ارائه دهد، نگهداری تعداد زیادی از اتم‌ها در حالت درهم‌تنیده کوانتومی ضروری است و این چالش‌های بیشتری را ایجاد می‌کند.
این تحقیق می تواند اولین گام مهم در جهت توسعه باتری های کوانتومی واقعی باشد. هر چقدر هم که طول بکشد، ارزش صبر کردن را دارد، زیرا این باتری‌ها می‌توانند وسایل نقلیه الکتریکی، ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر و لوازم الکترونیکی مصرفی مانند گوشی‌های هوشمند، رایانه‌ها و ساعت‌های هوشمند را متحول کنند.
این تحقیق در مجله Advanced Quantum Technologies منتشر شده است.
