اپتیک و کوانتوم

تقاضا و عرضه برای باتری‌ها با تمرکز بر افزایش ذخیره انرژی، طول عمر و قابلیت‌های شارژ همچنان در حال رشد است. در این جبهه، دانشمندان اکنون در حال توسعه باتری‌های کوانتومی هستند که از اصول مکانیک کوانتومی برای ذخیره و تامین انرژی استفاده می‌کنند. هدف استفاده از اصول بنیادی مکانیک کوانتومی مانند درهم‌تنیدگی و همدوسی برای غلبه بر محدودیت‌های فیزیک کلاسیک است، در نتیجه دستیابی به قدرت شارژ قوی‌تر، ظرفیت شارژ بالاتر در مقایسه با نمونه‌های کلاسیک حاصل خواهد شد.

مطالعه جدید، QB را با قرار دادن باتری و شارژر در یک موجبر توخالی مستطیلی بررسی می‌کند. هدف این روش کاهش اثرات ناهمدوسی برای دستیابی به عملکرد طولانی مدت و کارآمد QB است. پروفسور جون هانگ آن از دانشگاه لانژو چین، در مورد انگیزه تیم برای کشف باتری‌های کوانتومی، به Phys.org گفت: «چالش‌های ناهمدوسی باعث از دست دادن خود به خود انرژی QB می‌شوند، چالش دیگر برای عملکرد عملی QB، راندمان شارژ پایین آن است که ناشی از شکنندگی برهمکنش‌های همدوس بین QB و شارژر آن است. ما می‌خواستیم بر این چالش‌ها غلبه کنیم.»

مدل QB بر اساس دو سیستم دو سطحی (TLS) است که سیستم‌هایی با دو سطح انرژی مجزا هستند. این سطوح انرژی معمولاً به صورت حالت پایه و حالت برانگیخته نشان داده می‌شوند. یک سیستم خود باتری و دیگری شارژر است. فرآیندهای شارژ و تبادل انرژی بین این TLS ها نقش کلیدی در عملکرد سیستم QB ایفا می‌کند TLS ها با ایجاد یک کوپلینگ همدوس با سایر TLS ها یا میدان‌های خارجی شارژ می‌شوند. در مورد QB ها، کوپلینگ همدوس یک برهمکنش هماهنگ و همبسته بین این سیستم‌های کوانتومی است که امکان انتقال یا تبادل انرژی را فراهم می‌کند. پروفسور جون هانگ توضیح داد: «هر سیستم کوانتومی را نمی‌توان به طور مطلق از محیط بیرونی خود جدا کرد، که به طور اجتناب ناپذیری باعث عدم همدوسی ناخواسته به سیستم می‌شود.» این مدل‌ها شارژ را از طریق تعامل مستقیم شارژر QB  انجام می‌دهند. با این حال، این رابطه تحت تأثیر فاصله بین این دو است که منجر به کاهش راندمان شارژ می شود. برای غلبه بر این مشکل و مشکل ناپیوستگی، محققان موجبرهای مستطیلی توخالی را معرفی کردند. پروفسور Jun-Hong اضافه کردند: «موجبر فلزی مستطیلی توخالی برای جمع آوری و هدایت میدان الکترومغناطیسی برای واسطه انتقال انرژی بین QB و شارژر استفاده می شود.» انتقال انرژی خود بدون تماس مستقیم بین دو TLS اتفاق می‌افتد و رویکرد جدیدی را برای فرآیند شارژ QB معرفی می‌کند. مدل محققان به برهمکنش کوانتیزه شده بین میدان الکترومغناطیسی و ماده در یک موجبر بستگی دارد.

Wan-Lu Song et al, Remote Charging and Degradation Suppression for the Quantum Battery, Physical Review Letters (2024).