Kuantum pil teknolojisi elektrikli araçların kullanımı ve yaygınlaşmasının önündeki en büyük engeli kaldırabilir. Ortalama 30 dakikada şarj olan mevcut pil teknolojisine sahip bir bataryanın Kuantum teknolojisine sahip piller sayesinde 90 saniyede şarj olabileceği belirtiliyor. Çok heyecan verici değil mi?
Çoğu pil kimyasal süreçler yoluyla enerji depolar. Buna karşılık kuantum piller enerjiyi kuantum sistemlerinin yüksek uyarılmış durumlarında depolar. Araştırmacılar, bu tür pilleri uygulamak için bir dizi farklı yol önermiş ve son gelişmeler, daha sürdürülebilir enerji kaynaklarına geçişe yardımcı olabileceklerine dair umutları artırmıştır. Bununla birlikte, enerjiyi serbest bırakmanın kolay yollarını bulmak ve depolanan enerjinin doğru seviyesini korumak gibi çeşitli zorlukları da beraberinde getirmektedir.
Aşağıdaki diyagram, bir süperpozisyondaki atomların bir boşluğa girmesi, orada bir alanla etkileşime girmesi ve daha sonra daha düşük enerjili bir durumda boşluktan çıkmasının şemasını göstermektedir.
Kore’deki Temel Bilimler Enstitüsü’nden (IBS) araştırmacılar, İtalya’daki Insubria Üniversitesi’ndeki meslektaşlarıyla işbirliği yaparak, mikromaserlere dayalı kuantum pillerin bu zorlukların bazılarının üstesinden gelmeye yardımcı olabileceğini gösterdiler. Mikromaserler, optik bir boşluk içindeki elektromanyetik alanla etkileşime giren bir atom akışından oluşur.
Boşluktaki enerji, belirli bir seviyede plato oluşturana kadar birbirini izleyen etkileşimlerle artar ve pili şarj eder.Mikromaserler – bir lazerin mikrodalga benzeri olan tek atomlu maserler – kuantum özellikleri açısından uzun süredir incelenmektedir ve şimdi IBS’nin Karmaşık Sistemlerin Teorik Fiziği Merkezi’nden araştırmacılar, kuantum pillerin mükemmel modelleri olarak hizmet etmelerini sağlayan özelliklere sahip olduklarını göstermiştir.
Yeni çalışmada IBS-Insubria ekibi, mikromaserlerin bir kez şarj edildikten sonra neredeyse sabit bir duruma ulaştığını, yani enerji seviyelerinin ekibin modelindeki sistemle ilgili zaman ölçeklerinde önemli ölçüde dalgalanmadığını gösterdi. Bu önemlidir çünkü pilin şarj süresini doğru bir şekilde hesaplamayı mümkün kılar. Bu çalışmada kullanılan parametrelerle, kararlı durum seviyesine yaklaşık 30 etkileşimden sonra ulaşılıyor ve enerji yaklaşık 1 milyon etkileşim boyunca sabit kalıyor.
Neredeyse saf kararlı durum
Bu neredeyse sabit durumun bir diğer avantajı da yaklaşık olarak saf olmasıdır, bu da boşluğun durumunu etkileşime girdiği atomların durumundan bağımsız olarak düşünmeyi mümkün kılar. Bu şaşırtıcıdır, çünkü birçok çarpışmadan sonra boşluğun durumunun saf olmaması beklenebilir, bu da atılan tüm atomlarla etkileşime girmeden pilden çıkarılan enerji miktarını en üst düzeye çıkarmayı imkansız hale getirir. Ancak IBS-Insubria ekibi, kullanılabilir enerji miktarının (pilin ergotropisi olarak bilinir) yüksek kaldığını gösterdi.
Çalışmayı yöneten IBS kıdemli araştırmacısı Dario Rosa, mikromaserin kuantum dinamiklerinin pilin aşırı şarj olmasını da önlediğini söylüyor. Rosa, “Prensipte sistem enerjisini artırmaya devam edebilir ve sonsuz hale gelebilir,” diye açıklıyor. “Herhangi bir dış kontrol olmadan, mikromaser kendi dinamikleri ile enerjisini sonsuza kadar artırmaz.” Bu da pilin şarj edilmesini kolaylaştırıyor ve aşırı enerjinin donanıma zarar vermesini önlüyor.
Ek olarak, ekibin Quantum Science and Technology dergisinde açıkladığı yeni sonuçlar, bu özelliklerin mikromaserin hazırlanması ve çalışması için gerçekçi koşullar altında (yani, artan şarj gücü ve sistemin fiziksel özelliklerindeki yanlışlıklar) geçerli olduğunu gösteriyor – yararlı bir pil modelini deneysel olarak elde edilebilir olana yaklaştırıyor.
Süperpozisyon avantajı
Mikromaserlerle ilgili olumlu sonuçlar, İsviçre Cenevre Üniversitesi’nden bir grup tarafından yapılan ilgili bir çalışmayla desteklenmektedir. Stefan Nimmrichter liderliğindeki bu grup, atomların bir kuantum süperpozisyonu içinde boşluğa ulaşması halinde tek bir mikromaserin şarj gücünde klasik cihazlara göre bir avantaja sahip olabileceğini gösterdi. Daha önce, sadece kuantum dolaşıklık kullanılarak birçok kuantum pilin birleştirilmesiyle şarj gücünün klasik sistemlere göre iyileştirilebileceği biliniyordu.
Rosa, birçok mikromaserin nasıl birleştirileceğini daha iyi anlamak ve sistemi ölçeklendirirken performansı optimize etmek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç olduğunu söylüyor. “Diğer bataryalarda, birlikte şarj edilen daha fazla batarya ile şarj gücünün arttığını gördük” diyor. “Mikromasörlerin bu özelliğe sahip olup olmadığını bilmek istiyoruz.”
Modeli daha gerçekçi hale getirmek için ekip şimdi boşluk kusurlu olduğunda, yani bir miktar enerji dağıldığında ne olduğuyla ilgileniyor. Eğer pil bu koşullar altında iyi performans gösterir ve bu çalışmada görülen özellikleri korursa, İtalya’daki diğer fizikçiler ya da Cenevre’deki grup da dahil olmak üzere potansiyel deneysel işbirliklerine kapı açacaktır.
Ayrıca, bu özelliklerin sağlam olduğunu ve çalışmalarında tanımlanan belirli parametrelerin değiştirilmesiyle yok olmadığını göstererek, inşa sürecinde kaçınılmaz olan kusurlarla gerçek bir kuantum pil inşa etmek için umut vaat ettiler.
Bu çalışmanın yanı sıra, bir grup Avrupalı araştırmacı mikromasörlerin aynı zamanda ‘kuantum avantajı’, yani hücrelerin şarj edilmesinin birbirinden bağımsız olarak paralel gerçekleştiği klasik pillerin aksine, pil içindeki tüm hücrelerin aynı anda şarj edilebildiği kuantum pillerin özelliğini sunduğunu göstermiştir.
Bu bulgularla IBS araştırmacıları, mikromaserin kuantum piller inşa etmek için kullanılabilecek umut verici yeni bir platform olarak değerlendirilebileceğini öne sürdüler. İki grup, mikromaser tabanlı kuantum pil cihazlarının performanslarını kıyaslama ve deneysel olarak test etme umuduyla olası modelleri daha fazla araştırmak için bir işbirliği başlattı.
Yakın zamanda yapılan diğer bir çalışmada, IBS araştırmacıları ‘kuantum avantajı’ ile kuantum pillerin şarj hızında kuadratik ölçeklendirme elde edebileceğini göstermiştir.
Gerçek dünya koşullarında 200 hücreli bir bataryaya sahip tipik bir elektrikli araç örneğine uygulandığında, kuantum şarj klasik bataryalara göre 200 kat hızlanma sağlayarak şarj süresini 10 saatten yaklaşık 3 dakikaya veya yüksek hızlı şarj ile 30 dakikadan birkaç saniyeye indirecektir.
Son araştırma, Quantum Science and Technology bilimsel dergisinde yayımlanan “Micromasers as quantum batteries” (Kuantum bataryaları olarak mikromaserler) başlıklı çalışmada detaylandırıldı.
Aşağıdaki videoda Italya Insubria Üniversitesinden Giuliano Benenti konuyla ilgili detaylı bilgi aktarıyor.
Kaynak:
