Pillerin çoğu enerjiyi kimyasal işlemler yoluyla depolar. Kuantum piller ise enerjiyi kuantum sistemlerinin yüksek derecede uyarılmış durumlarında depolar. Araştırmacılar bu tür pilleri uygulamak için bir dizi farklı yol önerdiler ve son gelişmeler, bunların daha sürdürülebilir enerji kaynaklarına geçişe yardımcı olabileceği yönündeki umutları artırdı. Bununla birlikte, enerjiyi serbest bırakmanın kolay yollarını bulmak ve depolanan enerjinin doğru seviyesini korumak da dahil olmak üzere çeşitli zorluklarla karşı karşıya kalıyorlar.
Kore Temel Bilimler Enstitüsü'nden (IBS) araştırmacılar, İtalya'daki Insubria Üniversitesi'ndeki meslektaşlarıyla işbirliği içinde, mikromaserlere dayalı kuantum pillerin bu zorlukların bazılarının üstesinden gelmeye yardımcı olabileceğini gösterdi. Mikromaserler, optik bir boşluk içindeki elektromanyetik alanla etkileşime giren bir atom akışından oluşur. Boşluktaki enerji, pili şarj edecek şekilde belirli bir seviyede sabitlenene kadar ardışık etkileşimlerle artar.
Yeni çalışmada IBS-Insubria ekibi, mikromaserlerin şarj edildikten sonra neredeyse sabit bir duruma ulaştığını, yani enerji seviyelerinin ekibin modelindeki sistemle ilgili zaman çizelgeleri boyunca önemli ölçüde dalgalanmadığını gösterdi. Bu önemlidir çünkü pilin şarj süresinin doğru bir şekilde hesaplanmasını mümkün kılar. Bu çalışmada kullanılan parametrelerle yaklaşık 30 etkileşim sonrasında kararlı durum seviyesine ulaşılır ve enerji yaklaşık 1 milyon sonraki etkileşim boyunca sabit kalır.
Neredeyse saf kararlı durum
Bu neredeyse kararlı durumun bir başka avantajı da yaklaşık olarak saf olmasıdır, bu da boşluğun durumunu, etkileşime girdiği atomların durumundan bağımsız olarak değerlendirmeyi mümkün kılar. Bu şaşırtıcıdır, çünkü çok sayıda çarpışmadan sonra boşluğun durumunun saf olmaması beklenebilir, bu da atılan tüm atomlarla etkileşime girmeden pilden elde edilen enerji miktarının maksimuma çıkarılmasını imkansız hale getirir. Ancak IBS-Insubria ekibi, kullanılabilir enerji miktarının (pilin ergotropisi olarak bilinir) yüksek kaldığını gösterdi.
Mikromaserin kuantum dinamikleri aynı zamanda pilin aşırı şarj edilmesini de önlüyor, diyor Dario RosaIBS'de çalışmayı yöneten kıdemli bir araştırmacı. Rosa, "Prensipte sistemin enerjisi artmaya devam edebilir ve sonsuz hale gelebilir" diye açıklıyor. “Mikromaser, herhangi bir dış kontrol olmadan, kendi dinamikleri sayesinde enerjisini süresiz olarak artırmaz.” Bu, pilin şarj edilmesini kolaylaştırır ve aşırı enerji nedeniyle donanımın zarar görmesini önler.
Ayrıca ekibin dergide açıkladığı yeni sonuçlar Kuantum Bilimi ve Teknolojisi, Mikromaserin hazırlanması ve çalıştırılması için bu özelliklerin gerçekçi koşullar altında (yani artan şarj gücü ve sistemin fiziksel özelliklerindeki yanlışlıklar) geçerli olduğunu göstererek, kullanışlı bir pil modelini deneysel olarak elde edilebilir olana yaklaştırıyor.
Süperpozisyon avantajı
Mikromaserlere ilişkin olumlu sonuçlar bir ilgili çalışma İsviçre'nin Cenevre Üniversitesi'nden bir grup tarafından. Stefan Nimmrichter liderliğindeki bu grup, atomların kuantum süperpozisyonunda boşluğa ulaşması durumunda, tek bir mikromasörün şarj gücü açısından klasik cihazlara göre avantajlı olabileceğini gösterdi. Daha önce, şarj gücünün yalnızca kuantum dolaşma kullanılarak birçok kuantum pilin birleştirilmesiyle klasik sistemlere göre geliştirilebileceği biliniyordu.
Kuantum pili dolaşıklıktan destek alabilir
Rosa, birçok bireysel mikromasörün nasıl birleştirileceğini daha iyi anlamak ve sistemin ölçeğini büyütürken performansı optimize etmek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç olduğunu söylüyor. "Diğer pillerde, daha fazla pilin birlikte şarj edilmesiyle şarj gücünün arttığını gördük" diyor. "Mikromaserlerin bu özelliğe sahip olup olmadığını bilmek istiyoruz."
Modeli daha gerçekçi hale getirmek için ekip artık boşluk kusurlu olduğunda, yani bir miktar enerjinin dağıldığı zaman ne olacağıyla ilgileniyor. Pil bu koşullar altında iyi performans gösterirse ve bu çalışmada görülen özellikleri korursa, bu, İtalya'daki diğer fizikçiler veya Cenevre'deki grup da dahil olmak üzere potansiyel deneysel işbirliklerinin kapısını açacaktır.
