İlk işlevsel kuantum pili: İşte oyunun kurallarını değiştiren gelişme.

Evrensel Macera » Genel » İlk işlevsel kuantum pili: İşte oyunun kurallarını değiştiren gelişme.

La ilk işlevsel kuantum pili Laboratuvar ortamında yapılan bir spekülasyondan, şarj edebilen, enerji depolayabilen ve isteğe bağlı olarak deşarj edebilen gerçek bir prototipe dönüştü. Avustralyalı araştırmacılardan oluşan bir ekip, mevcut bataryalarla karşılaştırıldığında bilim kurguya yakın bir hızda şarj edebilmek için kolektif kuantum etkilerinden yararlanan minik bir cihaz geliştirmeyi başardı.

Bilim insanları tarafından imzalanan bu çığır açıcı buluş, CSIRO (Avustralya'nın ulusal bilim ajansı), Melbourne Üniversitesi ve RMIT Üniversitesi ile birlikte, sezgilere tamamen aykırı bir şeyi gösteriyor: bu piller şarj oluyor. Ne kadar büyük olurlarsa, o kadar hızlı giderler.Henüz cep telefonlarında veya elektrikli arabalarda onları görmekten çok uzakta olsak da, bu dönüm noktası enerji depolama anlayışımızda yeni bir sayfa açıyor ve kuantum hesaplama, gelişmiş sensörler ve uzaktan kablosuz şarj gibi alanlardaki önemli uygulamalara işaret ediyor.

Kuantum pil tam olarak nedir?

Kuantum pil, günlük hayatta kullandığımız lityum pillerin geliştirilmiş bir versiyonu olmaktan çok daha fazlasıdır; o bir Kuantum hallerinde enerji depolayan cihaz Klasik elektrokimyasal reaksiyonlara dayanmak yerine, atomlar veya moleküller temelinde çalışır. Enerji, "bir rezervuarda elektrik" olarak değil, sistemi oluşturan parçacıkların uyarılmış hallerindeki potansiyel enerji olarak depolanır.

Geleneksel kimyasal pillerde şarj ve deşarj, şunlara bağlıdır: iyonların yavaş hareketi Elektrolit ve elektrotlarla etkileşim yoluyla gerçekleşir. Buna karşılık, kuantum pilinde kilit nokta şudur: Üst üste binme ve kuantum dolanıklığıMikroskobik birimlerin, sanki tek bir mükemmel senkronize süper sistemmiş gibi, koordineli bir şekilde hareket etmelerini sağlayan olgular.

Bu, kuantum pilinin iç hücrelerinin kapalı bölmeler gibi değil, daha ziyade bir güçlü korelasyonlu kümeUygun bir ışık darbesi geldiğinde, klasik pillerde olduğu gibi hücre hücre değil, tüm cihaz enerjiyi aynı anda ve birlikte emebilir.

Sonuç olarak, kuantum birimlerinin sayısı arttıkça, Depolama kapasitesi sadece artmakla kalmıyorAncak bu aynı zamanda şarj sürelerini de kısaltıyor. İşte bu, tüm ön yargılarımızı yıkan fikir: daha büyük bir kuantum pil, daha küçük bir versiyona göre daha kısa sürede şarj olabiliyor.

Teoriden laboratuvara geçen Avustralyalı ekip.

Teoriden işlevsel bir prototipe geçiş, önderliğindeki bir grup tarafından gerçekleştirildi. James QuachCSIRO'dan bir araştırmacı, Melbourne Üniversitesi ve RMIT Üniversitesi'nden uzmanlarla işbirliği içinde, dergide yayınlanan çalışmayı kaleme aldı. Yazarlar arasında Kieran Hymas, James Hutchison, Trevor Smith ve Daniel Tibben gibi isimler yer alıyor. Işık: Bilim ve UygulamalarDoğa grubundan.

Kuantum piller fikri yaklaşık olarak şu dönemlerde ortaya atıldı: 2013 teorik bir kavram olarakO zamandan beri, süperabsorpsiyon gibi bazı temel etkilerinin matematiksel modelleri ve kısmi gösterimleri geliştirilmiştir. Bununla birlikte, henüz kimse bu işlemi gerçekleştirebilecek bir cihaz yaratmayı başaramamıştır. tam döngü Bir bataryanın işlevleri: kullanılabilir elektrik enerjisinin aynı fiziksel sistemde şarj edilmesi, depolanması ve deşarj edilmesi.

Quach, 2018'den beri bu fikri somut bir şeye dönüştürmeye kendini adamıştı. 2022'de ekibi, gelişmiş bir yöntem kullanarak daha büyük bir kuantum pilin daha küçük bir pilden daha hızlı şarj edilebileceğini deneysel olarak gösteren ilk prototipi sunmuştu. organik mikro boşlukSorun şu ki, bu tasarım enerji açısından bir çıkmaz sokaktı: şarj edilebiliyordu, ancak depolanan enerjiyi elektrik akımı olarak verimli bir şekilde elde etmenin bir yolu yoktu.

Yeni versiyonda araştırmacılar şunları ekledi: kargo taşıma katmanları ve hapsedilen enerjinin gerçek, ölçülebilir elektriğe dönüştürülmesini sağlayan kontaklar. Bu iyileştirmeler sayesinde, mevcut cihaz artık ışıkla şarj edilebiliyor, bu enerjiyi kısa bir süre muhafaza edebiliyor ve ticari bir bataryaya benzer şekilde, ancak tamamen farklı zaman ve enerji ölçeklerinde, kontrollü bir şekilde boşaltabiliyor.

Quach'a göre, en büyük özlemi, gelecekte şunları yapabilmemizdir: Elektrikli araçları şarj etmek, benzin deposunu doldurmaktan daha hızlıdır. Ya da cihazlara uzun mesafeler üzerinden kablosuz olarak güç sağlamak için. Şimdilik ellerinde son derece gelişmiş bir kavram kanıtı var, ancak bu da kuantum pillerin sadece kağıt üzerindeki güzel denklemlerden ibaret olmadığını nihayet doğruluyor.

İlk işlevsel kuantum pilinin nasıl üretildiği

Prototipin kalbi şudur: çok katmanlı organik mikro boşlukOrganik yarı iletken malzemelerden ve ışık yakalayıcı aynalardan oluşan, nanometrik bir "sandviç" yapı. Bu mimari, fotonları içinde hapsederek malzemenin molekülleriyle yoğun bir şekilde etkileşime girmeye zorlamak üzere tasarlanmıştır.

Mikro boşluk bir tür görevi görür. minyatür ışık kafesiUygun frekanstaki bir lazer cihaza çarptığında, fotonlar hapsolur, yansıtıcı katmanlar arasında sekerek organik moleküllerle çok güçlü bir şekilde etkileşime girer. Bu etkileşim, foton ve elektronik uyarım arasındaki ayrımın bulanıklaştığı ışık-madde hibrit durumlarına yol açar.

Kullanılan organik malzemeler şunlardır: OLED ekranlarda kullanılanlara benzer yarı iletken boyalar Cep telefonlarında olduğu gibi, ışıkla karşılaştıklarında elektronları daha yüksek enerji seviyelerine (eksitonlara) geçer. Boşluk tasarımı sayesinde bu uyarılmalar rastgele dağılmaz, aksine sistem boyunca hızla yayılır ve kolektif ve tutarlı bir durum oluşturur.

Önceki bir denemede, cihaz yalnızca bunun yapılabileceğini göstermek amacıyla kullanılmıştı. kuantum pilini şarj et Işık yoluyla, ancak ondan pratik bir şey elde etmek için değil. Yeni tasarımda, yük taşıyıcılarının (elektronlar ve delikler) enerjinin dönüştürüldüğü kontaklara yönlendirilmesini sağlayan özel katmanlar entegre edilmiştir. ölçülebilir elektrik akımıBu şekilde, pilin tüm döngüsü tamamlanmış olur: ışık emilimi, kuantum durumlarında geçici depolama ve elektriksel deşarj.

Sonuç olarak, mikroskobik ölçekte kolayca sığabilen, ancak her bir molekülün bireysel kapasitelerinin basitçe toplanmasıyla açıklanamayacak bir akım akışı üretebilen minik bir cihaz ortaya çıkıyor. Bu fark, tam olarak bir şeyin var olduğunu ortaya koyuyor. kuantum kolektif etkisi oyunda.

Kuantum süperabsorpsiyonu ve süpereksplesif davranış

Bu bataryayı bu kadar özel kılan özellik şu şekilde adlandırılır: kuantum süper soğurmaKlasik bir sistemde, her molekül ışığı bağımsız olarak emer, tıpkı yağmurda dolmaya çalışan birçok kova gibi: daha fazla kova eklemek, her birinin daha hızlı dolmasını sağlamaz. Ancak kuantum prototipinde, moleküller sanki birlikte hareket ediyormuş gibi davranırlar. tek bir senkronize "süper küp".

Mikro boşluk içinde moleküller, şu şekilde bilinen bir yapıda bulunur: güçlü ışık-madde etkileşimi rejimiBu rejimde, uyarılmalar belirli bir moleküle ait olmaktan çıkar ve tüm gruba dağılır, böylece ışık enerjisinin emilimi işbirliği içinde gerçekleşir. Bu senkronize dans, emilim kapasitesinin yalnızca daha fazla molekül eklenmesiyle artmasını değil, aynı zamanda güçlenmesini de sağlar. süper doğrusal olarak çarpmak.

Araştırmacılar bu davranışı şu şekilde tanımlıyor: aşırı kapsamlıŞarj gücü, pil boyutundan daha hızlı artar. Geleneksel bir pilde hücre sayısını ikiye katlamak daha fazla kapasite ancak daha uzun şarj süreleri anlamına gelirken, burada tam tersi olur; kuantum birimlerinin sayısını artırarak cihaz daha büyük hale gelir ve aynı zamanda, Daha hızlı şarj ediyor..

Bunu açıklamak için basitleştirilmiş bir örnek yardımcı olur: N üniteli geleneksel bir bataryada, bunları tek tek şarj etmek için yaklaşık N saniyeye ihtiyacımız olabilir. İyi kullanılan kolektif etkilere sahip ideal bir kuantum bataryada, şarj süresi 1/√N'ye veya daha da iyisine kadar ölçeklenebilir, böylece Boyutun iki katına çıkarılması yükleme süresini önemli ölçüde azaltabilir.Bu tür ölçeklendirme, kuantum pillerinin yıllarca enerji depolama alanında bir tür "kutsal kase" olarak kabul edilmesine yol açmıştır.

Süperabsorpsiyon teorisi on yıldan uzun bir süre önce formüle edilmişti, ancak şimdiye kadar gerçek ve işlevsel bir cihazda bunun yapılabileceğini gösteren hiçbir deney yapılmamıştı. elektrik enerjisini şarj etmek, depolamak ve boşaltmak. Bu olgudan faydalanarak, Avustralya prototipi, bu teorik öngörünün ilk tam deneysel doğrulamasıdır.

Yükleme ve depolama süreleri: femtosaniyeden nanosaniyeye

Çalışmadaki en dikkat çekici figürlerden biri şudur: yükün zaman ölçeğiCihaz, femtosaniye (10⁻¹⁵ saniye) mertebesinde, yani saniyenin bir katrilyonda biri kadar kısa sürelerde lazer darbesiyle şarj ediliyor. Bu kadar inanılmaz derecede küçük bir ölçek ki, hayal etmek bile zor.

Emilen enerji anında yok olmaz; kuantum durumlarının bütününde depolanmış olarak kalır. nanosaniye (10⁻⁹ saniye)Bu önemsiz gibi görünebilir, ancak femtosaniyeden nanosaniyeye geçiş, yükleme süresi ile tutma süresi arasında yaklaşık altı katlık bir farkı temsil eder.

Quach bunu bir benzetmeyle açıklıyor: Geleneksel bir pilin şarj olması bir dakika sürüyorsa, altı katlık bir fark, pilin daha uzun süre şarj edilebileceği anlamına gelir. birkaç yıl boyunca şarjda kalırElbette prototipte mutlak süreler çok daha kısa, ancak son derece hızlı şarj ile nispeten uzun depolama arasındaki oran, bilimsel açıdan bu kadar ilgi uyandıran şeydir.

Enerji miktarı açısından, mevcut cihaz yaklaşık olarak şu mertebede enerjiyi işleyebilmektedir: milyarlarca elektronvoltBu rakam, etkileyici olsa da, herhangi bir günlük elektronik cihazı çalıştırmak için gereken enerjinin çok küçük bir bölümünü temsil ediyor. Bazı yazarlar bu miktarı, uçan bir sivrisineğin kinetik enerjisinin çok küçük bir bölümüne benzetiyor; bu da pratik uygulamasının şu an için ne kadar sınırlı olduğunu açıkça gösteriyor.

Ancak bu prototipin asıl amacı ticari bir pil olarak hizmet vermek değil, şunu göstermektir: ultra hızlı şarj ve tam çalışma döngüsü Kuantum sisteminde oda sıcaklığında bu durum mümkündür. En azından bu engel aşılmıştır.

Mevcut sınırlamalar: istikrar, ölçek ve çalışma koşulları

Söz konusu fiziksel olaylar ne kadar muhteşem olursa olsun, araştırmacılar şu konuda ısrar ediyor: Kuantum piller henüz embriyonik aşamada.En büyük engel şarj tutma süresidir: Gerçek dünya uygulamaları saatler veya günler süren bir özerklik gerektirirken, biz en iyi ihtimalle nanosaniye veya mikrosaniyeden bahsediyoruz.

En büyük düşman şudur: kuantum dekoheransıÇevreyle etkileşim (ısı, titreşimler, elektromanyetik gürültü) sonucu kuantum hücreleri arasındaki hassas koordinasyonun bozulması sürecidir. Sistemin tutarlı bir üst küme gibi davranmayı bırakıp bir avuç bağımsız molekül gibi davranmaya başlaması ve süper soğurmanın avantajlarını kaybetmesi için küçük bir bozulma yeterlidir.

Ayrıca, prototipin üretimi şunları gerektirir: aşırı nanometrik hassasiyetMikro boşluğun, pilin şarj edileceği ışık frekansına tam olarak ayarlanması gerekir; herhangi bir sapma verimliliği önemli ölçüde azaltabilir. Bu, maliyetli ve hassas üretim süreçlerini gerektirir ve henüz büyük ölçekli endüstriyel üretime çok uzaktır.

Ayrıntılı veriler henüz mevcut değil. net enerji verimliliği veya ticari bataryalarla karşılaştırılabilir enerji yoğunlukları. İşlem, hassas lazerler ve ultra hızlı spektroskopi ekipmanları kullanılarak, son derece kontrollü laboratuvar koşullarında gerçekleştirilir; bu da teknolojinin günlük hayata aktarılması girişimine ek bir karmaşıklık katmanı ekler.

Quach'ın kendi ekibi de bunu açıkça kabul ediyor: ellerinde olan şey bir kavramın ispatıBir sonraki adım, cihazın boyutunu artırmak, kararlılığını iyileştirmek ve her şeyden önemlisi, enerji depolama süresini uzatmak Çevresel gürültü nedeniyle kuantum özelliklerinin çökmesi olmadan.

Tamamlayıcı kuramsal yaklaşımlar: topolojik kuantum pilleri

Avustralyalı grup deneysel alanda ilerleme kaydederken, diğer ekipler de teorik alanda çalışmalar yürütüyor. kuantum pillerinin dayanıklılığını güçlendirmek içinEn ilgi çekici önerilerden biri, RIKEN Kuantum Hesaplama Merkezi ve Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'ndeki araştırmacılardan geliyor; bu araştırmacılar bir tasarım önerdiler. topolojik kuantum bataryası.

Bu yaklaşım, aşağıdakilere dayalı modeller kullanmaktadır: fotonik dalga kılavuzları ve iki seviyeli atomlarSistemin topolojik özellikleri, enerjinin bir uçtan diğerine minimum kayıplarla aktarılmasına olanak tanır. Topolojik yapılar, özellikle hassas kuantum sistemleriyle uğraşırken çok önemli olan küçük kusurlara karşı oldukça dirençli olma özelliğine sahiptir.

Bu grubun analizine göre, sistemin pratik olarak çalışabileceği konfigürasyonlar mevcuttur. dağılmaya karşı bağışıkBu, mevcut pillerdeki kuantum avantajını yok eden ana faktörlerden biridir. Bu fikirler fiziksel cihazlarda uygulanabilirse, mikroskobik prototiplerden pratik kuantum pillere geçişi engelleyen bazı engellerin aşılmasına yardımcı olabilirler.

Bu kuramsal çalışmaların yazarlarından biri olan araştırmacı Zhi-Guang Lu, bu tür modellerin sunduğu avantajların altını çiziyor. çok net tasarım yönergeleri Gerçekçi koşullar altında kuantum pillerin performansını optimize etmek için, topolojik önerileri organik mikro boşluklar gibi mimarilerle birleştirmek, tutma sürelerini uzatmanın ve nihayetinde bu sistemleri daha az kırılgan hale getirmenin yolu olabilir.

Özetle, Avustralya'daki deneysel ilerlemeler ve Asya ile diğer ülkelerdeki grupların teorik katkıları, yakınsak bir araştırma ekosistemi oluşturmaktadır: teori yeni geometrilere ve malzemelere rehberlik ederken, laboratuvar sonuçları matematiksel modelleri iyileştirmeye ve pratik uygulamaya daha yakın hale getirmeye yardımcı olur.

Potansiyel uygulamalar: kuantum hesaplamadan kablosuz şarja kadar

Kısa ve orta vadede kuantum bataryalarından en belirgin şekilde fayda sağlayabilecek sektör, aşağıdaki sektördür: kuantum bilgisayarlarBu cihazlar, kuantum pillerini yöneten aynı fiziksel yasalara göre çalışır ve kübitlerin davranışını bozmamak için son derece kontrollü enerji kaynaklarına ihtiyaç duyar.

Enerji sağlayan bir bataryaya sahip olmak tutarlı ve son derece verimliSisteme eklenen gürültüyü en aza indirerek, kuantum hesaplamayı daha büyük ve daha kararlı makinelere ölçeklendirmek için önemli bir bileşen haline gelebilir. Aslında, birçok uzman, kuantum pillerinin ilk pratik kullanım alanlarından birinin, son derece özel kuantum donanımlarına güç sağlamak olacağını öne sürüyor.

Bu niş alanın ötesinde, araştırmacılar potansiyel uygulamaları şu alanlarda öngörüyorlar: yüksek hassasiyetli sensörlerToplam enerji miktarının çok büyük olması gerekmese bile, şarj hızının kritik önem taşıdığı uydu iletişim sistemleri ve elektronik cihazlar için; belirli uzaktan sensörler veya implante edilebilir tıbbi cihazlar için, Kablosuz lazer şarjı Özellikle çok yüksek hızlarda oldukça çekicidir.

Eğer bu teknoloji yaygınlaşmayı başarırsa, elektrikli arabaların, dronların veya hatta giyilebilir cihazların elektrikle çalışabileceği bir gelecek ihtimal dışı değil. milisaniyeler içinde şarj olur Hareket halindeyken, kablo veya fişe ihtiyaç duymadan. Quach, bir dronun uçuş sırasında şarj olabileceği veya bir elektrikli aracın bir servis istasyonunda durmadan sürüş sırasında dinamik olarak enerji alabileceği senaryolar bile önerdi.

Uzun vadede, kuantum piller bir parçası haline gelebilir. kuantum enerji altyapısıEnerji yönetiminin yalnızca izole parçacıklar olarak kabul edilen elektronlara değil, birlikte çalışan senkronize dalgalara dayandığı bir durum. Bu hala bilim kurgu gibi görünse de, gerçekleşirse enerjiyi şarj etme, depolama ve dağıtma şeklimizi tamamen değiştirecek türden bir kavramsal sıçrama.

Mevcut lityum pillere kıyasla temel farklılıklar

Yeni geliştirilen bir kuantum pilini, her yerde bulunan bir pille doğrudan karşılaştırmak lityum iyon piller Haksızlık gibi görünebilir, ancak bu teknolojinin getirdiği yenilikleri ve karşılaştığı sorunları anlamak faydalı olacaktır.

İlk olarak yükleme mekanizması Tamamen farklı. Lityum piller yavaş kimyasal reaksiyonlara ve elektrotlar arasındaki iyon akışına dayanırken, kuantum pil süperabsorpsiyon gibi kolektif etkilere dayanır; burada tüm sistem, femtosaniye ölçeğinde koordineli ve anlık bir şekilde ışık enerjisini emer.

İkincisi, oranı yükleme Bunlar zıt yönlerde ilerliyor. Geleneksel piller kapasiteleri arttıkça yavaşlar ve şarj olmaları on dakikadan saatlere kadar sürebilir. Gösterilen kuantum pilde ise şarj işlemi ultra kısa sürelerde gerçekleşir ve kuantum birimlerinin sayısı arttıkça teorik şarj hızı kötüleşmek yerine iyileşir.

Ayrıca şunu da değiştirir: şarj yöntemiGeleneksel pillerin kablolar aracılığıyla fiziksel olarak bir güç kaynağına bağlanması gerekirken, kuantum pil, mikro boşluğa foton enjekte eden bir lazer aracılığıyla kablosuz olarak şarj edilir. Bu yaklaşım, şarj sırasında elektriksel temas ihtiyacını tamamen ortadan kaldırır.

Lityum pillerin şu an için ezici bir üstünlük sağladığı alan ise şudur: saklama süresi ve kapasitesiBu piller, otomobilleri veya dizüstü bilgisayarları çalıştıracak kadar yüksek yoğunlukta, saatlerce veya günlerce önemli miktarda enerji depolayabilir. Öte yandan, kuantum prototipi, nanosaniyeler boyunca çok küçük miktarlarda enerji depolar; bu da günlük kullanım için tamamen yetersizdir.

En büyük soru şu: Önümüzdeki on yıllarda kuantum pillerini, yeterli kapasite sunabilecekleri bir noktaya kadar ölçeklendirmek mümkün olacak mı? rekabetçi enerji yoğunlukları ve faydalı tutma süreleriAvantajlarını sağlayan kuantum etkilerini korurken. Eğer cevap evet ise, ultra hızlı şarj, uzaktan kablosuz şarj yetenekleri ve verimlilik iyileştirmelerinin birleşimi, enerji piyasasının çok özel segmentlerinde kimyasal teknolojilerin yerini alabilir.

Şimdilik, bu ilk işlevsel kuantum pilini olduğu gibi değerlendirmek mantıklı: uygulamalı fizikte bir dönüm noktası Bu durum, on yıldan uzun süredir takip edilen bir teoriyi doğruluyor ve büyük potansiyele sahip bir teknolojik gelişme alanının kapılarını açıyor, ancak günlük olarak kullandığımız ticari ürünlerden hala çok uzakta.

Her şey, tıpkı ilk kuantum bilgisayarların klasik hesaplamanın sınırlarını sorgulamaya başlaması gibi, pilleri anlama biçimimizi tamamen yeniden tanımlayabilecek bir teknolojinin başlangıç ​​aşamasıyla karşı karşıya olduğumuzu gösteriyor; bugün femtosaniye ve elektronvolt cinsinden ölçülen bir prototip, sonunda yeni nesil cihazlara ve araçlara hizmet edecek ultra hızlı enerji sistemlerinin temeli haline gelebilir.