Kuantum pil, bir lazer yardımıyla saniyenin katrilyonda biri sürede şarj oluyor

Kuantum pil, bir lazer yardımıyla saniyenin katrilyonda biri sürede şarj oluyor

Araştırmacılar, dünyanın ilk minyatür, kavram kanıtlama niteliğindeki kuantum pilini geliştirdi. Uzmanlara göre, eğer bu teknoloji tekrarlanabilirse, enerji depolama alanını sonsuza dek dönüştürebilir; hafif ve uzaktan elektrik sağlama konularında yeni olanakların kapılarını aralayabilir.

Araştırma ekibi, kuantum pil tasarımlarını, 13 Mart'ta Light: Science & Applications dergisinde yayımlanan bir çalışmada detaylandırdı. Ekip, bu pilin hem uzun vadeli enerji depolama amaçlı kullanılabileceğini, hem de ağır elektrikli araçlar gibi yüksek enerji yoğunluğu gerektiren uygulamalarda değerlendirilebileceğini belirtiyor.

Çalışmanın ortak yazarı ve Melbourne Üniversitesi Fiziksel Kimya Bölümü Doçenti James Hutchinson, gelecekte kuantum pillerin geleneksel pillere kıyasla çok daha hızlı şarj olabileceğini; bunun yanı sıra çok daha yüksek enerji yoğunluğu ve dayanıklılık sergileyebileceğini ifade etti.

Standart bir lityum-iyon (Li-ion) pilde, iyonlar bir elektrolit aracılığıyla katot ile anot arasında hareket eder. Ancak kuantum pilin içinde enerji; titreşim enerjileri veya elektron durumları gibi rastgele olmayan içsel halleri paylaşan moleküller, yani "koheranslı moleküller" arasındaki elektromanyetik uyarılma şeklinde depolanır. Bu yapı, moleküllerin birbirleriyle sabit bir ilişkiyi korumalarına olanak tanır.

Kuantum piller, kuantum mekaniğinin o "tuhaf" yasalarına dayanır. Bu özel durumda araştırmacılar, yerel parçacıklardan oluşan bir kütlenin aynı anda birden fazla durumda bulunabildiği bir etki olan "kuantum koheransı"ndan yararlandı. Bu parçacıklar, her ne kadar durumların bir "süperpozisyonu" (üst üste binme hali) içinde bulunsalar da, birbirlerine kıyasla öngörülebilir şekillerde davranırlar. Pilin içinde bir araya gelen bu koheranslı parçacıklar, "kuantum dolanıklığı" adı verilen bir sürece girerler; bu da, parçacıkların sadece birbirleriyle hizalanmış olmakla kalmayıp, işlevsel açıdan da tamamen özdeşleşerek tek ve daha büyük bir sistem oluşturdukları anlamına gelir.

Bu yapı, pilin boyutu ne olursa olsun, içerisindeki tüm moleküllerin sabit bir hızda şarj olmasını mümkün kılar. Sisteme dahil olan molekül sayısı arttıkça, enerji emilimi de sistem genelinde o denli verimli gerçekleşir; bu da, pilin fiziksel boyutu büyüdükçe şarj sürelerinin gerçek anlamda kısaldığı anlamına gelir.

Hutchinson, yaptığı açıklamada, "Geleneksel pillere benzer şekilde, kuantum piller de enerjiyi şarj eder, depolar ve deşarj eder," diye açıkladı. "Ancak gündelik hayatta kullandığımız piller kimyasal reaksiyonlara dayanırken, kuantum piller kuantum mekaniğinin özelliklerinden yararlanır. Kuantum teknolojisinin sağladığı avantaj şudur: Sistem, ışığı tek ve devasa bir 'süper emilim' olayıyla bünyesine katar; bu da pilin çok daha hızlı şarj olmasını sağlar." Kuantum pilinin yapısı

Pili inşa etmek için araştırmacılar, kuantum optiği alanındaki Dicke modeline başvurdular; bu model, ışık ve maddenin belirli bir değerin üzerinde eşleştiğinde süperışıma (superradiance) durumuna geçebileceğini —yani bir grup yayıcının, ışığı kısa ve yoğun bir atım halinde topluca yayabileceğini— öne sürer.

Pratik açıdan bakıldığında pil; gümüş aynalar arasına yerleştirilmiş (ve eşleşmenin gerçekleştiği) bir dizi organik yarı iletken katmandan oluşur. Bu düzenek, ışığı küçük bir hacme hapsederek defalarca yansımasına olanak tanıyan mikroskobik bir yapı olan "mikroboşluk"u (microcavity) meydana getirir.

Bu yapı; uyumlu (koherant) molekül veya atom grubunun, —kuantum pilinin deşarj olması için elzem bir işlev olan— ışığı tek bir bütünleşik atım halinde yaymasına ve aynı zamanda ışığı, uyumlu molekül sayısının karesine eşit bir oranda soğurmasına olanak tanır. Bu olgu, süpersoğurma (superabsorption) olarak bilinir. Mikroboşluk; Dicke modelinde öngörülen ışık-madde oranına ulaşmak için gerekli olan o özel ve sınırlı ortamı sağladığından, hem eşleşme hem de süpersoğurma süreçleri için hayati öneme sahiptir.

Organik yarı iletken katmanların hem altına hem de üstüne yerleştirilen "delik engelleme" ve "elektron taşıma" katmanları; sistemin fiilen bir pil işlevi görebilmesi adına, gerektiği durumlarda elektronların katoda ve elektrotlara doğru akışını güvence altına alır.

Melbourne Üniversitesi'nin Ultra Hızlı ve Mikrospektroskopi Laboratuvarları'nda gerçekleştirilen testlerde araştırmacılar; 31 nanometrelik bir bant genişliğine sahip lazer atımını, bir femtosaniye (saniyenin katrilyonda biri) süresince sisteme yönelttiler. Bu işlem, moleküllerde onlarca nanosaniye (saniyenin birkaç yüz milyonda biri) boyunca süren uyarılmış bir durumun tetiklenmesine yol açtı.

Bu sonuç, pilin; şarj edilmesi için harcanan sürenin tam 1 milyon katı daha uzun bir süre boyunca şarjını muhafaza etme kapasitesine sahip olduğunu göstermektedir.

Avustralya'nın ulusal bilim kuruluşu CSIRO'da bilim lideri olarak görev yapan ve araştırmanın başyazarı olan James Quach, The Guardian gazetesine verdiği demeçte; bu ölçekte düşünüldüğünde, şarj edilmesi bir dakika süren bir pilin, şarjlı durumunu "birkaç yıl" boyunca koruyabileceğini ifade etti.

Araştırmacılar, bundan sonraki süreçte, pilin şarj tutma kapasitesini koruyarak ölçeğini büyütmeyi hedefliyorlar. Bu hedef, aşılması gereken kritik bir engel teşkil etmektedir; zira kuantum pillerinde depolanan enerji, "dekoherans" olarak bilinen bir süreçle kuantum davranışını bozma veya tamamen ortadan kaldırma potansiyeli taşıyan çevresel gürültülere karşı son derece hassastır.

Eğer bu engel aşılabilirse, pratik bir kuantum bataryasının yaratacağı etkiler son derece derin olabilir. Örneğin, lazerler aracılığıyla uzaktan şarj etme imkânı; dronlarda veya hava araçlarında kullanılan bataryalar için yeni fırsatların kapısını aralayabilir, zira bu bataryalar havada süzülürken şarj edilebilecektir.

Queensland Üniversitesi Kuantum Teknolojisi Laboratuvarı'nın başında bulunan Andrew White, The Guardian'a verdiği demeçte, bu teknolojinin ilk uygulama alanlarından birinin, kuantum bilgisayarlarını çok düşük bir enerji maliyetiyle beslemek olabileceğini belirtti.

Kaynak: LS