உலகின் முதல் குவாண்டம் பேட்டரி முன்மாதிரி - பெரிதாகும்போது வேகமாக சார்ஜ் ஆகிறது

கிளாசிக்கல் பிசிக்ஸை எதிர்க்கும் பேட்டரி

கிளாசிக்கல் பிசிக்ஸில், பல பேட்டரிகளை ஒரே சமயத்தில் சார்ஜ் செய்ய அதிக சக்தி அல்லது அதிக நேரம் தேவை — சார்ஜிங் வேகம், செல்களின் எண்ணிக்கை மற்றும் எனர்ஜி உள்ளீடு ஆகியவற்றுக்கு இடையே உள்ள உறவு நேரியல் மற்றும் தவிர்க்க முடியாதது. குவாண்டம் மெக்கானிக்ஸ் வேறு சாத்தியத்தை வழங்குகிறது: குவாண்டம் coherence மற்றும் entanglement பல அலகுகளில் எனர்ஜியை கூட்டாக சேமிக்க அனுமதிக்கும் அமைப்புகள் முழு கூட்டுத்தொகையை அதன் பகுதிகளின் கூட்டுத்தொகையை விட அதிக திறனுடையதாக ஆக்குகிறது. ஆஸ்திரேலிய ஆராய்ச்சியாளர்களால் உருவாக்கப்பட்ட ஒரு புதிய முன்மாதிரி முதல் முறையாக ஒரு உண்மையான சாதனத்தில் இந்த குவாண்டம் நன்மையை நிரூபித்துள்ளது.

மெல்பர்ன் பல்கலைக்கழகம், RMIT பல்கலைக்கழகம் மற்றும் CSIRO — ஆஸ்திரேலியாவின் தேசிய அறிவியல் நிறுவனம் — ஆகியவற்றிலிருந்து வெளியெடுக்கப்பட்ட குழு, அறை வெப்பநிலையில் குவாண்டம் coherent எனர்ஜி சேமிப்பை ஆதரிக்கும் organic semiconductor பொருட்களைப் பயன்படுத்தி ஒரு குவாண்டம் பேட்டரியை உருவாக்கியது. சோதனையில், அதிக அலகுகள் அமைப்பில் சேர்க்கப்பட்டபோது சாதனத்தின் சார்ஜிங் வேகம் அதிகரித்தது, இது குவாண்டம் சார்ஜிங் நன்மை என்று அழைக்கப்படும் நிகழ்வு, கோட்பாட்ட இயற்பியலாளர்கள் கணித்திருந்தாலும் முன்னர் உண்மையான முன்மாதிரியில் அவதானிக்கப்படவில்லை.

குவாண்டம் சார்ஜிங் நன்மை விளக்கப்பட்டுள்ளது

வழக்கமான பேட்டரியில், தனிப்பட்ட electrochemical செல்கள் சுயாதீனமாக சார்ஜ் ஆகின்றன. ஒரு அமைப்பில் அதிக செல்களைச் சேர்க்க விகிதாசாரமாக அதிக எனர்ஜி உள்ளீடு மற்றும் நேரம் தேவை, ஏனெனில் சார்ஜிங் செயல்முறை செல்களுக்கு இடையே உள்ள தொடர்புகளிலிருந்து பயனடைவதில்லை — ஒவ்வொரு செல்லும் தனிமையில் தனது வேலை செய்கிறது. கொடுக்கப்பட்ட சக்தி நிலையில் மொத்த சார்ஜிங் நேரம் செல்களின் எண்ணிக்கையுடன் நேரியலாக அதிகரிக்கிறது.

ஒரு குவாண்டம் பேட்டரி குவாண்டம் மெக்கானிக்கல் பண்புகளை — குறிப்பாக superposition மற்றும் entanglement — சுயாதீனமாக இல்லாமல் கூட்டாக செல்களை சார்ஜ் செய்ய பயன்படுத்துகிறது. சார்ஜ் செய்யும் போது செல்கள் குவாண்டம் superposition இல் இருக்கும்போது, எனர்ஜி வரிசையாக இல்லாமல் முழு அமைப்பு முழுவதும் ஒரே சமயத்தில் விநியோகிக்கப்படுகிறது. அமைப்பு பெரிதாக வளரும்போது மற்றும் அதிக entanglement சேனல்கள் கிடைக்கும்போது, இந்த கூட்டு சார்ஜிங் செயல்முறையின் செயல்திறன் உண்மையாக மேம்படுகிறது. இதன் விளைவு என்னவென்றால், ஒரு பெரிய குவாண்டம் பேட்டரி அதே சக்தி உள்ளீட்டில் சிறிய ஒன்றை விட ஒரு செல்லுக்கு வேகமாக சார்ஜ் ஆகிறது — இது கிளாசிக்கல் பிசிக்ஸ் கணிக்கும் வெதிரானது.

Organic Semiconductors இன் பாத்திரம்

ஆஸ்திரேலிய குழுவின் வேலையில் ஒரு முக்கியமான தொழில்நுட்ப சாதனை என்பது exotic cryogenic அமைப்புகளைக் காட்டிலும் organic semiconductor பொருட்களைப் பயன்படுத்தி குவாண்டம் சார்ஜிங் நன்மையை நிரூபிக்கும் உள்ளது. குவாண்டம் பேட்டரிக்கான முந்தைய கோட்பாட்ட பரிந்துரைகள் பொதுவாக முழு பூஜ்ய வெப்பநிலைக்கு அருகில் வெப்பநிலையில் செயல்பாட்டைக் கருதினாலும், குவாண்டம் coherence பராமரிக்க எளிதாக இருக்கும் ஆனால் நடைமுறை பயன்பாடுகள் கடுமையாக வரம்பிக்கப்பட்டிருக்கும். Organic semiconductors அறை வெப்பநிலையில் குவாண்டம் பேட்டரி செயல்பாட்டுக்கு தேவையான குவாண்டம் coherent electronic நிலைகளை ஆதரிக்க முடியும், இதனால் தொழில்நுட்பம் உண்மையான சாதனங்களுக்கு சாத்தியமாகிறது.

முன்மாதிரியில் பயன்படுத்தப்பட்ட குறிப்பிட்ட organic semiconductor Frenkel exciton transport ஐ ஆதரிக்கிறது — ஒரு வகை excited electronic நிலை, இது பொருட்களின் மூலக்கூறு கட்டமைப்பு வழியே coherently பரவ முடியும். சார்ஜ் செய்யும் போது இந்த coherent transport பாதையை பயன்படுத்த சாதனத்தை வடிவமைப்பு செய்வதன் மூலம், குழு महंगை குளிர்ப்பிக்கும் கட்டமைப்பு இல்லாமல் செயல்படும் அமைப்பில் குவாண்டம் நன்மையை அவதானிக்க முடிந்தது.

Prototype இலிருந்து நடைமுறை சாதனம் வரை

தற்போதைய முன்மாதிரி ஒரு proof-of-concept என்பது பொருள் அல்லவா, முடிந்த தொழில்நுட்ப அல்ல. அடையப்பட்ட எனர்ஜி density lithium-ion பேட்டரிகளை விட கணிசமாக குறைவாக உள்ளது, மற்றும் சாதனம் ஆயுட்காலத்தை மதிப்பிட charge-discharge சுழற்சிகளின் ஆயிரங்களை சோதிக்கப்படவில்லை. உடனடி গবेषణை திட்டம் சார்ஜ் செய்யும் போது குவாண்டம் coherence எப்படி பராமரிக்கப்படுகிறது என்பதைக் கண்டறிய மற்றும் வெப்பநிலை மற்றும் சுற்றுப்புற நிலைமைகள் சிறந்த ல்যாபரேட்டரி அமைப்பிலிருந்து மாறும்போது சாதனம் எப்படி செயல்படுகிறது என்பதைக் கண்டறிய கவனம் செலுத்தும்.

இந்த গবेషணாவை நிர்ணயிக்கும் சாத்தியமான பயன்பாடுகள் electronic சாதனங்கள், மின்சார வாகனங்கள் மற்றும் grid storage அமைப்புகளுக்கான வேகமான சார்ஜிங் அடங்கும், இங்கு உচ்ச விகிதத்தில் எனர்ஜி உறிஞ்சும் திறன் அது சேமிக்கும் திறன் போன்றே முக்கியமாக இருக்கும். குவாண்டம் சார்ஜிங் நன்மை சாதனம் அளவு மற்றும் எனர்ஜி திறன் மேல்ற்ற அளவுக்கு பராமரிக்க முடிந்தால், சார்ஜிங் கட்டமைப்புக்கான தாக்கங்கள் குறிப்பிடத்தக்கதாக இருக்க முடியும் — குறிப்பாக EV பயன்பாடுகளில் சார்ஜிங் நேரம் குறைத்தல் வெகுஜன ஏற்றுக்கொள்ளுவதற்கான முக்கிய தடைகளில் ஒன்றாக உள்ளது.

பிசிக்கல் Scale ல் கோட்பாட்ட Validation

இந்த முன்மாதிரியின் முக்கியத்துவம் அதன் near-term பயன்பாட்டு சாத்தியதையை தாண்டி நீட்டிக்கிறது. குவாண்டம் பேட்டரிகள் கோட்பாட்டளவில் ஒரு தசாப்த கால முன் முன்மொழியப்பட்டுள்ளன, மற்றும் கணிக்கப்பட்ட குவாண்டம் நன்மையை நிரூபிக்கும் செயல்பட்ட சாதனத்தை உருவாக்குவது கோட்பாட்ட வேலையை validate செய்கிறது, சில நேரங்களில் அதன் decoherence பராமரிப்பு பற்றிய அனுமானங்கள் physically சாத்தியமாக இருந்தாலும் கேள்வி கேட்கப்பட்டிருக்கும். ஆஸ்திரேலிய முன்மாதிரி குறைந்தபட்சம் ஒரு ல்যாபரேட்டரி அமைப்பில் அந்த கேள்விக்கு நேர்ம்மக ஆணை அளிக்கிறது.

இந்த validation கோட்பாட்டாளர்களுக்கு குவாண்டம் பேட்டரி பிசிக்ஸ் உண்மையாக இருக்கிறது என்ற நம்பிக்கையை அளிப்பதன் மூலம் முனையை accelerate செய்யும், மற்றும் இंजीनियરों ஐக்கு concrete design language — organic semiconductors coherent exciton transport ஐ ஆதரிக்கும் — அளிப்பதன் மூலம் அதிக எனர்ஜி density மற்றும் நடைமுறை form factors ஐ குறிவைத்த பரிகலனீய சாதனங்களின் அடுத்த பீழியை base செய்ய முடியும்.

இந்த கட்டுரை Interesting Engineering ல் கட்டுரையை அடிப்படையாக கொண்டுள்ளது. மூல கட்டுரையை படிக்கவும்.