طراحی جدید دانشمندان ایرانی برای باتری‌های کوانتومی

دانشمندان ایرانی یک طراحی جدید را برای باتری‌های کوانتومی ارائه داده‌اند که از قابلیت‌های مکانیک کوانتومی برای افزایش ذخیره انرژی استفاده می‌کند.

به گزارش ایسنا، یک باتری را تصور کنید که بلافاصله شارژ می‌شود و انرژی بسیار بیشتری را نسبت به بهترین باتری‌های امروزی در خود نگه می‌دارد. این ایده نویدبخش ارائه یک دستگاه ذخیره انرژی پیشرفته به نام «باتری کوانتومی» است که به پدیده‌های کوانتومی مانند درهم‌تنیدگی و برهم‌نهی کمک می‌کند.

«مریم هادی‌پور» و «سروش حسابی» پژوهشگران «دانشگاه ارومیه»، «سعید حدادی» پژوهشگر «دانشگاه سمنان» و «دونگ وانگ» (Dong Wang) پژوهشگر «دانشگاه آنهویی» (Anhui University) چین یک طراحی را برای ساخت چنین باتری ترسیم کرده‌اند. اگر آزمایشات آینده کارآیی آن را مورد تایید قرار دهند، این باتری می‌تواند طرز تفکر ما را درباره ذخیره انرژی متحول کند.

دانشمندان در مقاله این پژوهش نوشتند: باتری‌های سنتی مانند باتری‌های لیتیوم-یونی، قلیایی و سرب-اسیدی که هنوز در حال استفاده هستند، براساس واکنش‌های الکتروشیمیایی شامل حرکت یون‌ها بین دو الکترود از طریق یک الکترولیت کار می‌کنند. از سوی دیگر، باتری‌های کوانتومی یک مفهوم جدید هستند که قابلیت‌های مکانیک کوانتومی را برای افزایش ذخیره انرژی به کار می‌برند.

توسعه یک باتری کوانتومی فعال سرشار از چالش است. جدی‌ترین چالش، مشکل حفظ «همدوسی کوانتومی» است که در آن، باتری به طور هم‌زمان در چندین حالت کوانتومی قرار می‌گیرد. این ویژگی برای عملکرد باتری بسیار مهم است، اما می‌تواند به راحتی مختل شود و حفظ باتری را دشوار کند.

علاوه بر این، برای کارکرد 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 تعامل با محیط بیرونی مختل می‌شوند و از بین بردن این تعاملات به طور کامل عملا غیر ممکن است.

پژوهشگران در این پروژه، یک طراحی ساده و در عین حال خلاقانه را برای باتری کوانتومی پیشنهاد کردند که ممکن است این مشکلات را حل کند. این طراحی از یک اتم منفرد تشکیل شده است که حالت‌های کوانتومی آن برای ذخیره انرژی و همراه با یک حفره میانی حاوی میدان الکترومغناطیسی استفاده می‌شوند. این حفره واسطه تعاملات بین اتم و محیط آن است و می‌تواند از وضعیت ظریف باتری کوانتومی در برابر اختلالات مخرب بیرونی محافظت کند.

دانشمندان در ادامه مقاله نوشتند: وجود یک حفره واسطه می‌تواند چندین اثر داشته باشد. ممکن است به عنوان راهی برای محافظت از باتری کوانتومی در برابر اختلالات بیرونی عمل کند یا به حفظ حالت کوانتومی ظریف باتری بپردازد. این حفره می‌تواند به حفظ انسجام و همدوسی کمک کند که فاکتور‌های حیاتی در سیستم‌های کوانتومی هستند. بنابراین، این میانجی‌گری می‌تواند فرآیند‌های کنترل‌شده و کارآمدتر انتقال انرژی را به همراه داشته باشد.

این روش جدید، اهمیت محیط را در عملکرد باتری کوانتومی برجسته می‌کند. دو نوع محیط اصلی برای ارزیابی سیستم‌های کوانتومی وجود دارد که شامل محیط‌های بدون حافظه و محیط‌های متاثر از حافظه است.

در محیط بدون حافظه، محیط بیرونی باتری مانند شارژر یا هوا، هیچ اطلاعاتی را درباره تعاملات گذشته با آن حفظ نمی‌کند. در یک محیط بدون حافظه، این فعل و انفعالات هیچ تاثیر ماندگاری را بر محیط اطراف نمی‌گذارد. گویی هر بار که باتری با محیط خود در تعامل قرار می‌گیرد، برای اولین بار اتفاق می‌افتد.

مطالعه و کار کردن با این نوع محیط هم به صورت تئوری و هم به صورت عملی آسان‌تر است. از آنجا که محیط اطراف هیچ اطلاعاتی را حفظ نمی‌کند یا تحت تأثیر رویداد‌های گذشته قرار نمی‌گیرد، درک و پیش‌بینی نحوه عملکرد باتری ساده‌تر است. با وجود این، ممکن است همیشه پیچیدگی‌های محیط دنیای واقعی یا سیستم‌های کوانتومی را به طور دقیق منعکس نکند. به همین دلیل، ممکن است کاربرد و قدرت پیش‌بینی آن محدود شود.

محیط‌های متاثر از حافظه شامل محیط‌هایی با اثرات حافظه مانند کریستال‌ها یا سیستم‌هایی با چند اتم درهم‌تنیده هستند. در این محیط‌ها، اجزا فعل و انفعالات گذشته خود را با باتری کوانتومی به یاد می‌آورند. این حافظه به حفظ انسجام کوانتومی باتری کمک می‌کند و حالت‌های کوانتومی ظریف آن را ثابت نگه می‌دارد، زیرا محیط می‌تواند تبادل انرژی را در طول زمان بهتر مدیریت و کنترل کند. این ویژگی امکان شارژ و تخلیه دقیق باتری را فراهم می‌آورد. با وجود این، کار کردن با چنین محیط‌هایی به دلیل عوامل و تعاملات متعددی که باید در نظر گرفته شوند، پیچیده‌تر است و مطالعه و استفاده عملی را چالش‌برانگیزتر می‌کند.

این گروه پژوهشی دریافتند که اگرچه محیط حافظه پیچیده‌تر است، اما ظرفیت باتری و میزان استخراج انرژی را ۱۰ تا ۲۰ درصد افزایش می‌دهد.

دانشمندان در ادامه مقاله نوشتند: مشاهده شد که طی فرآیند شارژ، انرژی به‌دست‌آمده توسط باتری کوانتومی با افزایش قدرت جفت حفره-باتری افزایش می‌یابد، اما با تقویت جفت حفره-محیط کمتر می‌شود. همچنین، مشاهده شد که بیشترین مقدار کار قابل دستیابی از یک سیستم کوانتومی، با تقویت جفت حفره-باتری افزایش می‌یابد و با تقویت جفت موثر محیط-حفره کمتر می‌شود.

گام‌های بعدی دانشمندان، انتقال یافته‌های این پژوهش به یک نمونه اولیه کار است تا به صورت آزمایشی تأیید شود. علاوه بر این، از آنجا که طراحی باتری آن‌ها تنها شامل یک اتم است، انتظار می‌رود ظرفیت حاصل حتی در شرایط ایده‌آل بسیار کم باشد. برای این که یک باتری کوانتومی واقعا کاربردی شود و مزایایی را نسبت به طرح‌های سنتی داشته باشد، حفظ تعداد زیادی اتم در حالت درهم‌تنیدگی کوانتومی ضروری است و این کار، چالش‌های بیشتری را به همراه دارد.

این پژوهش می‌تواند اولین گام مهم به سمت توسعه باتری‌های کوانتومی واقعی باشد. هر چقدر هم که این کار زمان ببرد، ارزش انتظار را دارد، زیرا این باتری‌ها می‌توانند انقلابی را در وسایل نقلیه الکتریکی، ذخیره انرژی تجدیدپذیر و تجهیزات الکترونیکی مصرفی مانند تلفن‌های همراه هوشمند، رایانه‌ها و ساعت‌های هوشمند ایجاد کنند.

این پژوهش در مجله «Advanced Quantum Technologies» به چاپ رسید.