باتری کوانتومی؛ آینده‌ی ذخیر‌ه‌سازی انرژی با عمر بی‌نهایت

به‌احتمال زیاد برایتان پیش آمده که هنگام کار با گوشی یا لپ‌تاپ، شارژ دستگاه به اتمام رسیده و امکان شارژ مجددش را ندارید. حتماً آن لحظه با خود گفته‌اید چه می‌شد اگر باتری دستگاه‌های الکترونیکی می‌توانست مدت زمان بیشتری، حتی تا همیشه، دوام می‌آورد. وابستگی ما به منابع انرژی اگر بیشتر از این دستگاه‌ها نباشد، کمتر از آن‌ها نیست.

دانشمندان برای حل این مشکل، ایده‌ی باتری‌ کوانتومی را مطرح کرده‌اند؛ نوعی باتری که شارژ آن هیچ‌گاه تمام نمی‌شود؛ یک باتری با عمر بی‌نهایت. با ساخت باتری‌های کوانتومی نه‌تنها از شر شارژکردن‌های بی‌وقفه‌ راحت می‌شویم، بلکه می‌توانیم به مدت بسیار بیشتری از وسایل الکترونیکی خود استفاده کنیم. در این سناریو، زندگی بسیار هیجان‌انگیزتر از آن چیزی می‌شود که در فیلم‌های علمی‌تخیلی دیده‌ایم.

منابع انرژی کوانتومی همچنین می‌توانند در خودروهای برقی، اسکوترهای برقی، ساعت‌های هوشمند و بسیاری از وسایل الکتریکی دیگر که با باتری کار می‌کنند، استفاده شوند. عملکرد باتری‌های کوانتومی تفاوت بسیاری با باتری‌های معمولی دارد. امروزه، گوشی‌های هوشمند مجهز به باتری‌های لیتیوم‌یونی هستند که براساس فرایندهای الکتروشیمیایی کار می‌کنند. این در حالی است که باتری‌های کوانتومی با تکیه بر فیزیک کوانتوم، عملکرد کاملاً متفاوتی دارند.

در باتری‌های رایج مانند باتری خودرو، هرچه سلول‌های بیشتری در باتری وجود داشته باشد (باتری بزرگ‌تر باشد)، زمان بیشتری برای شارژ شدن کل باتری نیاز است. به عبارت دیگر، رابطه‌ی مستقیمی بین زمان شارژ و اندازه‌ی باتری، وجود دارد. در مقابل، قوانین مکانیک کوانتوم امکان ساخت باتری‌هایی را فراهم می‌کند که از پدیده‌ی «فراجذب» بهره می‌برند. در این پدیده، با افزایش تعداد اجزای سازنده‌ی باتری (بزرگ‌تر شدن آن)، توانایی جذب انرژی به‌طور قابل‌ توجهی افزایش می‌یابد. این ویژگی عجیب به نظر می‌رسد، زیرا برخلاف باتری‌های معمولی، باتری‌های کوانتومی بزرگ‌تر، سریع‌تر شارژ می‌شوند.

در این مطلب، ابتدا به‌طور خلاصه با عملکرد باتری‌های معمولی آشنا می‌شویم، سپس در مورد باتری‌های کوانتومی و ویژگی‌های منحصربه‌فرد آن‌ها صحبت می‌کنیم.

باتری‌های معمولی با استفاده از واکنش‌های شیمیایی، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند. باتری وسیله‌ای است که انرژی را برای استفاده‌ در آینده، در خود ذخیره می‌کند. انرژی به شکل انرژی شیمیایی در باتری ذخیره و هنگام نیاز، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. به‌طور حتم در دوران تحصیل خود با مدارهای ساده‌ی الکتریکی متشکل از لامپ و باتری برخورد داشته‌اید. لامپ برای آنکه روشن شود باید مقدار زیادی الکترون را از خود عبور دهد. نقش باتری در این میان چیست؟ باتری پس از اتصال به لامپ و با وارد کردن نیرو به الکترون‌ها، آن‌ها را در مدار حرکت می‌دهد و سبب روشن شدن لامپ می‌شود.

باتری نمی‌تواند الکترون‌ها را تا ابد در مدار حرکت دهد و لامپ را روشن نگه دارد؛ بلکه تنها برای مدت زمان محدودی می‌تواند این کار را انجام دهد که مقدار آن، به مقدار انرژی ذخیره‌شده در باتری بستگی دارد. برخی باتری‌ها پس از اتمام انرژی ذخیره‌شده می‌توانند دوباره شارژ شوند، اما بسیاری از باتری‌های قلمی معمولی که در خانه از آن‌ها استفاده می‌کنیم، مجددأ شارژ نمی‌شوند.

هر باتری از دو انتهای مثبت به نام کاتد و منفی به نام آند تشکیل شده است. باتری‌های معمولی از لایه‌های مختلفی تشکیل شده‌اند. آند، اولین لایه و از ترکیب اکسید منگنز و گرافیت ساخته شده است. گرافیت باعث افزایش رسانندگی و افزایش مقدار انرژی ذخیره‌شده می‌شود. بعد از آند، به لایه‌ی متخلخلی می‌رسیم که نقش سد را ایفا می‌کند و از تماس مستقیم آند و کاتد جلوگیری می‌کند و عمر مفید باتری را افزایش می‌دهد.

حفره‌های میکروسکوپی و بسیار کوچکِ داخلِ لایه‌ی متخلخل به یون‌ها اجازه می‌دهند از آن عبور کنند. به‌هنگام ساخت باتری، مایع الکترولیت هیدروکسید پتاسیم روی لایه‌ی جداکننده اسپری می‌شود. این مایع پس از جذب، داخل آند نفوذ می‌کند. سمت دیگرِ لایه‌ی جداکننده، آند قرار دارد که از پودر زینک و عامل ژل‌کننده ساخته شده است.

مرجان شیخی

CATL؛ غول ناآشنای دنیای باتری‌های لیتیوم‌یونی

مطالعه '11

باتری‌ها، الکتریسیته‌ی جریان مستقیم (DC)‌ ایجاد می‌کنند که در آن الکترون‌ها تنها می‌توانند در یک جهت حرکت کنند. با مخلوط کردن موادی مشخص با یکدیگر می‌توانیم واکنش‌های شیمیایی ایجاد کنیم. در این حالت، اتم‌های مواد مختلف پس از برهم‌کنش با یکدیگر، تشکیل پیوند می‌دهند یا پیوندهای تشکیل‌شده را می‌شکنند. الکترون‌ها هنگام واکنش شیمیایی می‌توانند توسط اتم‌ها جذب یا رها شوند.

• واکنش اکسایش:‌ در این واکنش الکترون تولید می‌شود.
• واکنش کاهش: در این واکنش یون هیدروکسید تولید می‌شود.

پس از انجام دو واکنش شیمیایی فوق که به‌صورت همزمان انجام می‌شوند، تعداد الکترون‌ها در قطب منفی باتری بیشتر از قطب مثبت می‌شود. تعداد الکترونِ متفاوت در دو قطب باتری به معنای اختلاف ولتاژ است. الکترون‌ها به‌دلیل بار الکتریکی یکسان، یکدیگر را دفع می‌کنند و دوست دارند به ناحیه‌ای با الکترونِ کمتر بروند. ازآنجاکه قطب مثبت تعداد الکترون کمتری دارد، الکترون‌ها به سمت آن حرکت می‌کنند. لایه‌ی جداکننده از ورود الکترون‌ها به داخل باتری جلوگیری می‌کند، بنابراین آن‌ها باید از مسیر دیگری به طرف قطب مثبت حرکت کنند، از طریق مدار خارجی.

باتری‌های لیتیوم‌یونی براساس حرکت یون‌های لیتیوم بین دو الکترود (آند و کاتد) کار می‌کنند. به‌هنگام شارژ این باتری‌ها، یون‌های لیتیوم از آند جدا می‌شوند و از طریق الکترولیت (ماده‌ی رسانا بین دو الکترود) به سمت کاتد حرکت می‌کنند. همزمان، الکترون‌ها نیز در مدار خارجی، از آند به سمت کاتد می‌روند و در آنجا با یون‌های لیتیوم ترکیب می‌شوند و اتم‌های لیتیوم خنثی را تشکیل می‌دهند. در این حالت، انرژی الکتریکی در باتری ذخیره می‌شود.

فرایند تخلیه، عکس فرایند شارژ است. در این حالت، یون‌های لیتیوم از کاتد جدا می‌شوند و به سمت کاتد حرکت می‌کنند. همزمان، الکترون‌ها نیز از کاتد به آند جریان می‌یابند و در آنجا ‌پس از ترکیب با اتم‌های لیتیوم، یون‌‌های لیتیوم تولید می‌شوند. این فرایند با تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در باتری به انرژی الکتریکی همراه است.

از باتری‌های کوچکی که در خانه استفاده می‌کنیم تا باتری‌های لیتیوم‌یونی که در خودروهای تسلا استفاده می‌شوند، همه و همه با انجام واکنش‌های شیمیایی، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند. باتری‌ها در طول سال‌ها تغییرات زیادی کرده‌اند و توانسته‌اند مقدار بیشتری انرژی را در مدت زمان زیادتری در خود ذخیره کنند. اما انسان به‌دنبال راهی است تا بتواند انرژی را تا مدت زمانی طولانی و حتی تا بی‌نهایت در باتری‌ها نگه دارد. چگونه؟ باتری‌های کوانتومی می‌توانند این کار انجام دهند. قبل از صحبت در مورد ساختار این باتری‌ها اجازه دهید کمی با مفاهیم بنیادی در فیزیک کوانتوم آشنا شویم.

دنیای کوانتوم کاملاً متفاوت از دنیایی است که می‌شناسیم و ذرات در این دنیا از قوانین متفاوتی پیروی می‌کنند. واژه‌ی کوانتوم از کلمه‌ی لاتین Quantus به معنای بسیار کوچک گرفته شده است و برای توصیف کوچک‌ترین واحد گسسته‌ی ممکنِ هر کمیتِ فیزیکی مانند انرژی یا ماده، استفاده می‌شود. بنابراین، به هنگام صحبت در مورد باتری‌های کوانتومی باید توجه خود را به مقیاس‌‌های بسیار کوچک (مثلاً در سطح نانومتر) معطوف کنیم.

برای درک بهتر این موضوع اجازه دهید به یک اتم از نزدیک نگاه کنیم. تصویر زیر مدل اتمی ارائه‌شده توسط نیلز بور را نشان می‌دهد. براساس این مدل، الکترون‌ها در مدارهایی به شکل دایره به دور هسته‌ی اتم حرکت می‌کنند.

اروین شرودینگر بعدها مدل دقیق‌تری را به نام مدل ابری پیشنهاد داد که در آن تابع احتمال حضور الکترون به دور هسته نشان داده شده است. اگرچه مدل ابر الکترونی دقیق‌تر است، برای سادگی و درک بهتر برهم‌کنش‌های اتمی از مدل اتمی بور استفاده می‌کنیم.

هرگاه الکترون از لایه‌ی درونی‌تر و نزدیک‌تر به هسته به لایه‌ی بیرونی‌تر و دورتر از هسته برود، انرژی اتم افزایش می‌یابد. این افزایش انرژی، پایه و اساس عملکرد باتری‌های کوانتومی است. از آنجا که تنها حالت‌های انرژی اتم برای ما مهم هستند، به‌جای استفاده از مدل اتمی بور، حالت‌های انرژی را به شکل نردبان نشان می‌دهیم. راه‌های زیادی برای افزایش انرژی اتم وجود دارند که از آن‌ها برای شارژ باتری‌های کوانتومی استفاده می‌کنند. یکی از این روش‌ها استفاده از فوتون، است که در ادامه‌ی مطلب در مورد آن توضیح خواهیم داد.

Libretexts

ذرات تحت شرایط خاصی وارد حالت‌های کوانتومی می‌شوند: دماهای بسیار پایین و خلأ. تحت این شرایط، ذرات همزمان می‌توانند رفتارهای متفاوتی از خود نشان دهند. در این حالت، از ذرات کوانتومی می‌توان برای پیشبرد کارهای خارق‌العاده‌ای مانند انجام محاسبات ریاضی بسیار پیچیده با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی و ذخیره‌ی انرژی تا بی‌نهایت در باتری‌های کوانتومی، استفاده کرد.

سیستم‌های کوانتومی ویژگی عجیبی به نام درهم‌تنیدگی کوانتومی را از خود نشان می‌دهند. درهم‌تنیدگی کوانتومی یکی از پیچیده‌ترین پدیده‌ها در فیزیک کوانتوم است. این ویژگی کوانتومی به فیزیک‌دان‌ها اجازه می‌دهد بین ذرات در فواصل طولانی ارتباط ایجاد کنند؛ ارتباطی که به‌نظر می‌رسد قوانین نسبیت اینشتین را نقض می‌کند. دو سکه را یکی در دست چپ و یکی در دست راست نگه دارید. این دو سکه درهم تنیده نشده‌اند، این بدان معنا است که بالا انداختن یکی از سکه‌ها هیچ تأثیری روی سکه‌ی دیگر ندارد.

شیر یا خط آمدن هر یک از سکه‌ها برابر ۵۰ درصد است و این حالت با نگاه کردن شما به هر یک از سکه‌ها، تغییر نخواهد کرد. حال فرض کنید با استفاده از جادو بتوانید سکه‌ها را درهم‌تنیده کنید. درنتیجه، اگر یکی از سکه‌ها پس از پرتاب به بالا، شیر بیاید، سکه‌ی دیگر پس از پرتاب به بالا خط خواهد آمد، حتی اگر در فاصله‌ی دوری از یکدیگر قرار داشته باشند.

فرض کنید هر یک از سکه‌ها را به دو فضانورد، قبل از شروع سفر فضایی می‌دهیم، سپس هریک از آن‌ها سوار سفیه‌ی فضایی خود و در دو جهت مخالف به مدت ده سال، از یکدیگر دور می‌شوند. سرانجام، پس از گذشت ده سال، دو فضانورد سکه‌های خود را پرتاب می‌کنند و نتیجه‌ی به‌دست‌آمده را از طریق سیگنال‌های رادیویی برای یکدیگر می‌فرستند. اگرچه سیگنال‌های رادیویی پس از گذشت مدت زمانی مشخص به مقصد می‌رسند، هر فضانورد به‌دلیل درهم‌تنیدگی کوانتومی بین سکه‌ها، پس از پرتاب سکه‌ی خود و دیدن نتیجه، نتیجه‌ی پرتاب سکه‌ی فضانورد دیگر را می‌داند. از این‌رو، برای دانشتن نتایج، نیازی به دریافت سیگنال رادیویی نیست.

این آزمایش فرضی ساده، همان چیزی است که درهم‌تنیدگی کوانتومی روی ذرات در آزمایش‌های تجربی انجام می‌دهد. فرض کنید می‌خواهید دو ذره را در آزمایشگاه درهم‌تنیده کنید. برای انجام این کار در نخستین گام باید مطمئن شوید که اسپین دو ذره، متضاد یکدیگر است. سپس، دو ذره را هزاران کیلومتر از یکدیگر دور کنید و اسپین یکی از آن‌ها را اندازه بگیرید. اگر اسپین ذره‌ی اندازه‌گیری شده در جهت بالا باشد، اسپین ذره‌ی دیگر به‌طورحتم در جهت پایین خواهد بود.

از درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌توانیم در محاسبات کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی یا ساخت باتری‌های کوانتومی استفاده کنیم. این پدیده در نگاه نخست بسیار عجیب و غیرقابل‌باور به نظر می‌رسد، اما یکی از ویژگی‌های طبیعت و جهانِ ما است که جان استوارت بل، فیزیک‌دان ایرلندی آن را به معادلات ریاضی تبدیل کرد.

برهم‌نهی کوانتومی یکی دیگر از مفاهیم بنیادی فیزیک کوانتوم است. اگر به فیزیک کوانتوم علاقه‌مند باشید به‌طور حتم نام گربه‌ی شرودینگر را شنیده‌اید. گربه‌ی شرودینگر آزمایشِ فکری بسیار معروفی است که در آن گربه‌ای داخل جعبه قرار دارد و می‌تواند زنده یا مرده باشد. این گربه در حالت برهم‌نهی کوانتومی قرار دارد.

آیا این آزمایش فکری عجیب به دنیای واقعی که در آن زندگی می‌کنیم مربوط است؟ بله و خیر. ایده‌ی گربه‌ی شرودینگر به پدیده‌‌ای واقعی مربوط می‌شود که در آن ذره‌ای در دنیای کوانتوم، همزمان می‌تواند دو کار متضاد را انجام دهد. آزمایش دو شکاف را در نظر بگیرید. در این آزمایش این‌گونه به‌نظر می‌رسد که یک الکترون، همزمان از دو شکاف می‌گذرد. این پدیده را می‌توان با در نظر گرفتن الکترون به‌عنوان موج و نه ذره، توضیح داد. همچنین، می‌توان گفت الکترون برهم‌نهی تمام مسیرهای ممکن است. با جمع تمام این مسیرها به شکلی شبیه موج می‌رسیم.

برهم‌نهی کوانتومی راهی برای صحبت در مورد عدم‌ قطعیت کوانتومی است. در فیزیک کوانتوم، هیچ‌گاه به‌طور قطع نمی‌توانیم در مورد تمام ویژگی‌های ذره صحبت کنیم. این موضوع به‌دلیل ناکارامدی وسایل اندازه‌گیری نیست، بلکه فیزیک کوانتوم این اجازه را به ما نمی‌دهد. بنابراین، اگر نتوانیم به‌طور قطع بگوییم ذره در مکان یک یا دو قرار دارد، آن را همزمان در هر دو مکان در نظر می‌گیریم. این حالت به رابطه‌ی بین آزمایش و مشاهده ربط دارد.

هنگامی‌ که الکترون در فضا حرکت می‌کند و رفتاری همانند موج و بدون مکانی مشخص دارد، آن را می‌توانیم در حالت برهم‌نهی در نظر بگیریم؛ اما با اندازه‌گیری و مشاهده‌ی الکترون، مکان دقیق آن را می‌دانیم؛ یعمی با انجام اندازه‌گیری روی الکترون، برهم‌نهی از بین رفته است. هر سیستم کوانتومی ایزوله همواره در حالت برهم‌نهی قرار دارد، اما برهم‌کنش با دنیای بیرون، این حالت را برهم می‌زند. از برهم‌نهی کوانتومی می‌توانیم به نفع خود برای ساخت فناوری‌های جدید استفاده کنیم. به عنوان مثال، کیوبیت در محاسبات کوانتومی برخلاف بیت که یا صفر است یا یک، می‌تواند برهم‌نهی صفر و یک باشد.

به‌طور معمول حالت‌های کوانتومی نمی‌توانند مدت زمان زیادی وجود داشته باشند و پس از برهم‌کنش با محیط اطراف، از بین می‌روند. اما بلورهای زمانی که حالت ویژه‌ای از ماده هستند و در سال ۲۰۱۲ معرفی شدند، حداقل می‌توانند تا ۴۰ دقیقه حالت خود را حفظ کنند. این زمان حدود ۱۰ میلیون مرتبه طولانی‌تر از دیگر کریستال‌های شناخته شده است. برخلاف بلورهای معمولی با ساختاری تکراری برحسب مکان، بلورهای زمانی ساختاری دارند که در زمان تکرار می‌شود. درنتیجه، بلورهای زمانی به ما نشان می‌دهند که تحت شرایط خاص، حالت‌های کوانتومی می‌توانند بسیار پایدارتر از چیزی باشند که تصور می‌شود.

اگرچه بلورهای زمانی ارتباط مستقیمی با باتری‌های کوانتومی ندارند، پایداری طولانی‌مدت آن‌ها به چالش مهمی در فناوری کوانتومی اشاره می‌کند: حفظ پایداری حالت‌های کوانتومی. برای آن‌که باتری‌های کوانتومی یا هر فناوری مبتنی بر کوانتوم کاربردی شوند، دانشمندان باید مسئله‌ی گذرا بودنِ این حالت‌ها را حل کنند.

تا اینجا با عملکرد باتری‌های کلاسیک و پدیده‌های مهم در فیزیک کوانتوم آشنا شدیم. اکنون سؤال آن است که چگونه می‌توان قوانین فیزیک کوانتوم را جایگزین واکنش‌های شیمیایی و قوانین فیزیک کلاسیک به‌کاررفته در باتری‌های کلاسیک کرد؟

باتری‌های کوانتومی، نسل جدیدی از باتری‌ها هستند که با استفاده از اصول فیزیک کوانتوم، انقلابی را در ذخیره‌سازی انرژی نوید می‌دهند. در این نوع باتری‌ها، از نانوساختارهای حالت جامد برای غلبه بر چالش‌های باتری‌های لیتیوم یون فعلی و دستیابی به عملکردهای جدید و پیشرفته استفاده می‌شود. الکترون‌ها پس از جذب فوتون، شبه‌پایدار می‌شوند و تقریباً تا همیشه داخل باتری باقی می‌مانند. سیستم در حالت شبه‌پایدار برای مدتی طولانی در یک وضعیت باقی می‌ماند. درخشش دانه‌های تسبیح یا صفحه‌ی ساعت در تاریکی مثالی از این حالت هستند.

پژوهشگران برای ساخت باتری کوانتومی باید بتوانند منبعی با انرژی نامحدود ایجاد کنند. چالش اصلی در ساخت این باتری‌ها آن است که به‌هیچ‌وجه نباید با محیط بیرون برهم‌کنش داشته باشد. این موضوع را هنگام صحبت در مورد پایداری حالت‌های کوانتومی مطرح کردیم. انرژی باید در چارچوب گوشی هوشمند یا لپ‌تاپ حرکت کند و بتواند به‌صورت مداوم خود را شارژ کند. از نظر تئوری، حالت کوانتومی در باتری‌های کوانتومی می‌تواند تا ابد، بدون تغییر باقی بماند و انرژی خود را از دست ندهد.

اگرچه باتری‌های کوانتومی همانند باتری‌های معمولی انرژی ذخیره می‌کنند، اما شباهت آن‌ها در همین نقطه به اتمام می‌رسد. برخلاف باتری‌های معمولی که با استفاده از فرایندهای شیمیایی، انرژی را در خود ذخیره می‌کنند، اساس کار باتری‌های کوانتومی برپایه‌ی درهم‌تنیدگی کوانتومی است. باتری‌های کوانتومی از تعداد زیادی سلول‌های کوانتومی تشکیل شده‌اند که در کنار یکدیگر مشابه باتری کوانتومی بزرگی عمل می‌کنند؛ اما چالش اصلی حفظ ویژگی‌های کوانتومی برای مدت زمان طولانی است.

همان‌طور که اشاره کردیم در حال حاضر باتری‌های کوانتومی روی کاغذ اجرا شده‌اند و هنوز تا رسیدن به مرحله‌ی عملی، فاصله‌ی زیادی وجود دارد. برای تبدیل این فناوری به واقعیت، فیزیک‌دان‌ها باید راهی برای حفظ حالت‌های خاص سیستم‌های کوانتومی خارج از محیط‌های کنترل‌شده‌ی آزمایشگاهی پیدا کنند. ماده‌ی ابررسانا در دمای اتاق، فناوری است که می‌تواند ساخت باتری کوانتومی را به واقعیت نزدیک کند، فناوری‌ای که تا به امروز ساخته نشده است. ابررساناها بدون هیچ مقاومتی جریان الکتریسیته را از خود عبور می‌دهد و به حفظ حالت کوانتومی کمک می‌کنند.

امیرحسین دباغی

ابررسانا؛ ماده‌ اسرارآمیزی که می‌تواند تکنولوژی آینده را متحول کند

مطالعه '8

تا سال ۲۰۲۳، بالاترین دمای ابررسانایی به‌دست آماده متعلق به ماده‌ی «لانتانوم دکاهیدرید»‌ در فشار بسیار بالای ۲۰۰ گیگاپاسکال و برابر ۲۵۰ کلوین (معادل ۲۳- درجه‌ی سانتی‌گراد) بود. در این دما، ماده از حالت عادی به ابررسانا تبدیل می‌شود.

قوانین ترمودینامیک در حالت تعادل، سرعت تبدیل انرژی را محدود نمی‌کنند. به بیان دیگر، این قوانین به ما نمی‌گویند که انرژی چقدر سریع می‌تواند به گرما و کار تبدیل شود. با این حال، با خروج از حالت تعادل، می‌توانیم از مزیت‌های ترمودینامیکی کوانتومی بهره ببریم. سیستم‌های خارج از تعادل، سیستم‌هایی هستند که به‌طور مداوم تغییر می‌کنند. با توجه به آنکه قوانین ترمودینامیک در حالت تعادل، سرعت تبدیل انرژی را محدود نمی‌کنند، دانشمندان معتقدند با خارج کردن سیستم‌های کوانتومی از حالت تعادل، می‌توان به مزایایی از نظر سرعت و کارایی در تبدیل انرژی دست یافت.

درهم‌تنیدگی کوانتومی با سرعت ذخیره‌سازی انرژی در سیستم‌های کوانتومی چندذره‌ای ارتباط تنگاتنگی دارد. این کشف زمینه‌ی تحقیقات جدیدی را در زمینه‌ی استفاده از سیستم‌های کوانتومی به عنوان ابزار ذخیره‌سازی انرژی فراهم کرده است. در سال ۲۰۱۸، تیمی از پژوهشگران موفق به ‌شبیه‌سازی «باتری کوانتومی Dicke» شد.

این باتری، اولین نوعی بود که بر اساس ساختار حالت جامد پیشنهاد شده بود. سپس در سال ۲۰۲۲، جیمز کواچ و همکارانش موفق شدند چارچوب ابتدایی یک باتری کوانتومی را در محیط آزمایشگاهی با استفاده از هدف (گیرنده‌), آینه‌ها و نور لیزر مورد آزمایش قرار دهند. همان‌طور که بالاتر اشاره کردیم، این گروه از برهم‌کنش نور (فوتون) با اتم برای ساخت باتری کوانتومی استفاده کردند. در این پژوهش، پژوهشگران نور لیزر را به باتری کوانتومی تاباندند.

باتری کوانتومی از یک نیمه‌رسانا در حفره‌ای میکروسکوپی تشکیل شده که بین دو صفحه با انعکاس بالا قرار گرفته است. این دو صفحه به هدایت نور لیزر تابیده‌شده کمک می‌کنند. نور لیزر پس از برهم‌کنش با اتم، الکترون را از لایه‌ی انرژی پایین‌تر به لایه‌ی انرژی بالاتر منتقل می‌کند و بدین‌صورت باتری شارژ می‌شود.

در مواد نیمه‌رسانای جامد، ترازهای انرژی به دو قسمت تقسیم می‌شوند: تراز ظرفیت و تراز رسانش. هر قسمت، از تعداد زیادی تراز انرژی تشکیل شده است که در فاصله‌ی بسیار نزدیکی از یکدیگر قرار گرفته‌اند، بنابراین برای سادگی هر قسمت را با یک خط نشان می‌دهیم. نه‌تنها نور، بلکه دیگر منابع انرزی مانند گرما نیز می‌توانند الکترون را از تراز انرژی پایین‌تر به تراز انرژی بالاتر منتقل کنند. اما الکترون پس از انتقال به تراز بالاتر، پایدار نیست و با تابش فوتون به تراز انرژی پایین‌تر برمی‌گردد.

طول موج فوتون تابیده شده به فاصله‌ی بین دو تراز انرژی وابسته است. همچنین، طول موج نور تابیده شده به ماده‌ی نیمه‌رسانا نیز باید برابر فاصله دو تراز انرژی ظرفیت و رسانشِ آن باشد. اما سؤال اصلی هنوز پابرجاست، چه چیزی مانع از تمام شدن شارژ باتری کوانتومی می‌شود؟ برای جلوگیری از تمام شدن شارژ باتری کوانتومی، الکترون باید در تراز انرژی بالاتر باقی بماند. برای حفظ حالت کوانتومی مورد نظر، باتری کوانتومی را می‌تواند در حالت تاریک قرار داد.

اسپین همان ویژگی کوانتومی است که از آن برای ترکیب نشدن الکترون با حفره استفاده می‌کنند. این کار را می‌توان با استفاده از میدان مغناطیسی انجام داد. با خارج شدن از حالت تاریک، شارژ باتری به اتمام می‌رسد. این پژوهش یکی از صدها پژوهشی محسوب می‌شود که روی باتری‌های کوانتومی انجام شده است.

برخلاف باتری‌های لیتیوم‌یونی که هم‌اکنون در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف از آن‌ها استفاده می‌کنیم، باتری‌های کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی برای ذخیره‌ی انرژی استفاده می‌کنند. ازاین‌رو، باتری‌های کوانتومی مزیت‌های متعددی نسبت به باتری‌های لیتیوم‌یونی و دیگر باتری‌های سنتی دارند:

• چگالی انرژی بالاتر: باتری‌های کوانتومی می‌توانند مقدار انرژی بسیار بیشتری را در واحد حجم ذخیره کنند که این موضوع به معنای باتری‌های کوچک‌تر و سبک‌تر با انرژی بیشتر در آینده است.
• عمر طولانی‌تر: باتری‌های کوانتومی در برابر چرخه‌های شارژ شدن و خالی کردن شارژ مقاوم‌تر هستند و می‌توانند عمر طولانی‌تری داشته باشند.
• شارژ سریع‌تر: باتری‌های کوانتومی می‌توانند به سرعت و به‌طور کارآمد‌تر شارژ شوند.
• مواد پایدارتر: باتری‌های کوانتومی می‌توانند از مواد پایدارتر و سازگار با محیط‌زیست ساخته شوند.

بااین‌حال، هنوز تا تبدیل ایده‌ی باتری‌های کوانتومی به واقعیت عملی چالش‌های زیادی وجود دارند که باید بر آن‌ها غلبه کنیم. یکی از چالش‌های اصلی، حفظ حالت‌های کوانتومی در باتری‌ها در دمای اتاق است. دانشمندان در سراسر جهان در حال تلاش برای حل این چالش‌ها و توسعه باتری‌های کوانتومی عملی هستند. اگر این تلاش‌ها با موفقیت همراه شوند، باتری‌های کوانتومی می‌توانند دنیای ما را متحول کنند و به ما امکان استفاده از انرژی پاک و پایدار را به روشی کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه بدهند.