जगातील पहिली क्वांटम बॅटरी प्रोटोटाइप अधिक तेजीने चार्ज होते जेव्हा ती मोठी होते

शास्त्रीय भौतिकशास्त्राला प्रतिकार करणारी बॅटरी

शास्त्रीय भौतिकशास्त्रात, एकाधिक बॅटरीज एकाचवेळी चार्ज करण्यासाठी एकतर अधिक शक्ती किंवा अधिक वेळ आवश्यक असते — चार्जिंग दर, कोशिकांची संख्या आणि ऊर्जा इनपुट यांच्यातील संबंध रेखीय आणि अपरिहार्य आहे. Quantum mechanics एक वेगळी शक्यता प्रदान करते: अशा प्रणाली जिथे quantum coherence आणि entanglement ऊर्जा अनेक एककांमध्ये सामूहिकरीत्या संचित करण्याची परवानगी देतात जेणेकरून संपूर्ण भाग त्यांच्या अंशांच्या बेरजेपेक्षा अधिक कुशल असते. ऑस्ट्रेलियन संशोधकांद्वारा तयार केलेली एक नवीन प्रोटोटाइप पहिल्यांदा वास्तविक उपकरणात या quantum लाभाचे प्रदर्शन केले आहे.

मेलबर्न विद्यापीठ, RMIT विद्यापीठ आणि CSIRO — ऑस्ट्रेलिया यांची राष्ट्रीय विज्ञान संस्था — यांच्या संशोधकांच्या गटाने कार्बनिक semiconductor सामग्रीचा वापर करून एक quantum battery तयार केली जी खोलीच्या तापमानात quantum coherent ऊर्जा संचयनला समर्थन देते. परीक्षणामध्ये, त्यांनी लक्षात घेतले की जसजसे प्रणालीमध्ये अधिक एकक जोडले जाते तसतसे उपकरणाचा चार्जिंग दर वाढतो, एक घटना ज्यास quantum charging advantage म्हणून ओळखले जाते जी सैद्धांतिक भौतिकशास्त्रज्ञांनी अनुमान लावली होती परंतु कधीही भौतिक प्रोटोटाइपमध्ये पाहिली नव्हती.

क्वांटम चार्जिंग लाभ स्पष्ट केला

एका पारंपरिक बॅटरीमध्ये, वैयक्तिक electrochemical कोशिका स्वतंत्रपणे चार्ज होतात. एका प्रणालीमध्ये अधिक कोशिका जोडण्यासाठी आनुपातिकरीत्या अधिक ऊर्जा इनपुट आणि वेळ आवश्यक असते, कारण चार्जिंग प्रक्रिया कोशिकांमधील परस्परक्रियांमधून लाभ घेत नाही — प्रत्येक कोशिका अलगाववादामध्ये आपले काम करते. दिलेल्या शक्ती पातळीवर एकूण चार्जिंग वेळ कोशिकांच्या संख्येसह रेखीयरीत्या मापन केली जाते.

एक quantum battery quantum mechanical गुणधर्मांचा दोहन करतो — विशेषतः superposition आणि entanglement — कोशिकांना स्वतंत्रपणे न चार्ज करता सामूहिकरीत्या चार्ज करण्यासाठी. जेव्हा कोशिका चार्जिंग दरम्यान quantum superposition मध्ये असतात, उर्जा क्रमवार न चार्ज होता एकाचवेळी संपूर्ण प्रणाली भर वितरित केली जाऊ शकते. जसजसे प्रणाली मोठी होते आणि अधिक entanglement चॅनेल उपलब्ध होतात तसतसे या सामूहिक चार्जिंग प्रक्रियेची कार्यक्षमता वास्तविकरीत्या सुधारते. परिणाम असा आहे की एक मोठी quantum battery, समान शक्ती इनपुटवर, एक लहान बॅटरीपेक्षा प्रति कोशिका अधिक वेगाने चार्ज होते — जी शास्त्रीय भौतिकशास्त्राच्या भविष्यवाणीच्या विरुद्ध आहे.

कार्बनिक Semiconductors ची भूमिका

ऑस्ट्रेलियन गटाच्या कामात एक मुख्य तांत्रिक कामगिरी विदेशी cryogenic प्रणालींऐवजी कार्बनिक semiconductor सामग्रीचा वापर करून quantum charging advantage प्रदर्शित करणे आहे. Quantum battery साठी पूर्वीच्या सैद्धांतिक प्रस्तावांनी सामान्यतः परिपूर्ण शून्यजवळ तापमानावर कार्यकरण गृहित धरले, जेथे quantum coherence राखणे सोपे असते परंतु व्यावहारिक अनुप्रयोग गंभीरपणे मर्यादित आहेत. कार्बनिक semiconductors खोलीच्या तापमानात quantum battery ऑपरेशनसाठी आवश्यक quantum coherent electronic states ला समर्थन देऊ शकतात, जिससे तंत्रज्ञान वास्तविक-जगतिक उपकरणांसाठी संभाव्य व्यावहारिक होते.

प्रोटोटाइपमध्ये वापरलेली विशिष्ट कार्बनिक semiconductor Frenkel exciton transport ला समर्थन देते — एक प्रकारची उत्तेजित electronic स्थिती जी सामग्रीच्या आणविक रचनामधून coherently प्रसारित होऊ शकते. चार्जिंग दरम्यान या coherent transport pathway चा दोहन करण्यासाठी उपकरण डिजाइन करून, गटाला महागडे refrigeration बुनियादी ढांचे शिवाय एका प्रणालीमध्ये quantum advantage दिसू शकला.

प्रोटोटाइप पासून व्यावहारिक उपकरणापर्यंत

वर्तमान प्रोटोटाइप एक proof-of-concept आहे न की उत्पाद-तयार तंत्रज्ञान. प्राप्त ऊर्जा घनता lithium-ion बॅटरीपेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी आहे, आणि उपकरण टिकाऊपणा मूल्यांकन करण्यासाठी हजारो charge-discharge चक्रांद्वारा चाचणी केली गेली नाही. तात्काळ संशोधन अजेंडा quantum coherence चार्जिंग दरम्यान कसे राखले जाते हे समजून घेण्यावर आणि तापमान आणि पर्यावरणीय परिस्थितीच्या बदलांसह उपकरण कसे कार्य करते यावर लक्ष केंद्रित करेल.

या संशोधनाला प्रेरणा देणाले संभाव्य अनुप्रयोगांमध्ये इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसाठी द्रुत चार्जिंग, electric vehicles आणि ग्रिड storage प्रणाली समाविष्ट आहेत जेथे उच्च दरांवर ऊर्जा शोषण करण्याची क्षमता संचयित करण्याची क्षमता इतकीच महत्त्वाची आहे. जर quantum charging advantage उपकरण आकार आणि ऊर्जा क्षमता वरच्या दिशेने बदलताना राखली जाऊ शकली तर चार्जिंग बुनियादी ढांचेवरील परिणाम महत्त्वाचा होऊ शकतो — विशेषतः EV अनुप्रयोगांसाठी जेथे चार्जिंग वेळ कमी करणे संघनिष्ठ दत्तक घेण्यासाठी प्राथमिक अडचणींपैकी एक राहिली आहे.

भौतिक स्केलवर सैद्धांतिक सत्यापन

या प्रोटोटाइपचे महत्त्व त्याच्या near-term अनुप्रयोग संभाव्यतेच्या पलीकडे विस्तारते. Quantum batteries एक दशकापेक्षा अधिक काळ पूर्वी सैद्धांतिकरीत्या प्रस्तावित केल्या गेल्या होत्या, आणि एक कार्यात्मक उपकरण तयार करणे जे अनुमानित quantum advantage प्रदर्शित करते हे सैद्धांतिक कामाचे शरीर प्रमाणित करते ज्याला कधीकधी decoherence रखरखावांच्या गृहीतकांबद्दल भौतिकदृष्ट्या साध्य आहे की नाही यावर प्रश्नचिन्ह केले जात होते. ऑस्ट्रेलियन प्रोटोटाइप या प्रश्नाचे सकारात्मक उत्तर देते, किमान एक प्रयोगशाळा सेटिंगमध्ये.

हा सत्यापन या क्षेत्राला गती देईल, तत्ववेत्ताांना आत्मविश्वास देऊन की quantum battery physics वास्तविक आहे न की आदर्शीकृत, आणि अभियंत्यांना एक ठोस डिজाइन भाषा देऊन — कार्बनिक semiconductors जे coherent exciton transport ला समर्थन देतात — ज्यावर अगली पीढीच्या प्रायोगिक उपकरणांचा आधार असू शकतो जे उच्च ऊर्जा घनता आणि व्यावहारिक form factors ला लक्ष्य करतात.

हा लेख Interesting Engineering च्या reporting वर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.