ప్రపంచ ప్రథమ క్వాంటం బ్యాటరీ ప్రోటోటైప్ పెద్దదైనప్పుడు వేగంగా ఛార్జ్ అవుతుంది

శాస్త్రీయ భౌతికశాస్త్రను సవాలు చేసే బ్యాటరీ

శాస్త్రీయ భౌతికశాస్త్రంలో, ఒకేసారి బహుళ బ్యాటరీలను చార్జ్ చేయడానికి ఎక్కువ శక్తి లేదా ఎక్కువ సమయం అవసరం — చార్జింగ్ రేట్, కణాల సంఖ్య మరియు శక్తి ఇన్‌పుట్ మధ్య సంబంధం సరళ మరియు నివారణీయమైనది. Quantum mechanics ఒక భిన్న సంభావ్యతను ఇస్తుంది: quantum coherence మరియు entanglement శక్తిని అనేక యూనిట్‌ల్లో సమూహంగా సংరక్షించడానికి అనుమతించే వ్యవస్థలు, సమగ్ర భాగం దాని భాగాల మొత్తం కంటే చాలా సమర్థవంతంగా ఉంటుంది. ఆస్ట్రేలియన్ పరిశోధకులచే నిర్మించిన కొత్త ప్రోటోటైప్ ఈ quantum ప్రయోజనకు ఒక వాస్తవ పరికరంలో మొదటిసారి ప్రదర్శన ఇచ్చారు.

మెల్‌బర్న్ విశ్వవిద్యాలయం, RMIT విశ్వవిద్యాలయం మరియు CSIRO — ఆస్ట్రేలియా జాతీయ విజ్ఞాన సంస్థ — నుండి సేకరించిన టీమ్ రూమ్ ఉష్ణోగ్రతায় quantum coherent శక్తి నిల్వ సపోర్ట్ చేసే సేంద్రీయ semiconductor పదార్థాలను ఉపయోగించి quantum battery నిర్మించింది. పరీక్షలో, సిస్టమ్‌కు మరిన్ని యూనిట్‌లు జోడించబడుతున్నప్పుడు పరికరం యొక్క చార్జింగ్ రేట్ పెరిగిందని వారు గమనించారు, ఇది quantum charging advantage అని పిలువబడే దృగ్విషయం, సైద్ధాంతిక భౌతికవేత్తలు ఊహించారు కానీ ఎటువంటి భౌతిక ప్రోటోటైప్‌లో ఎప్పుడూ గమనించబడలేదు.

క్వాంటం చార్జింగ్ ప్రయోజనం వివరించబడింది

సాధారణ బ్యాటరీలో, వ్యక్తిగత electrochemical కణాలు స్వతంత్రంగా చార్జ్ అవుతాయి. సిస్టమ్‌కు ఎక్కువ కణాలను జోడించడానికి అనుపాతంగా ఎక్కువ శక్తి ఇన్‌పుట్ మరియు సమయం అవసరం, ఎందుకంటే చార్జింగ్ ప్రక్రియ కణాల మధ్య పరస్పర చర్య నుండి ప్రయోజనం పొందకుండా ఉంటుంది — ప్రతి కణం ఒక్కటిగా దాని పనిని చేస్తుంది. ఇచ్చిన శక్తి స్థాయిలో మొత్తం చార్జింగ్ సమయం కణాల సంఖ్యతో సరళంగా స్కేల్ చేయబడుతుంది.

quantum battery quantum mechanical లక్షణాలను ఉపయోగించుకుంటుంది — ప్రత్యేకించి superposition మరియు entanglement — కణాలను స్వతంత్రంగా కాకుండా సమూహంగా చార్జ్ చేయడానికి. చార్జింగ్ సమయంలో కణాలు quantum superposition లో ఉన్నప్పుడు, శక్తి వరుసగా కాకుండా సమస్త సిస్టమ్ అంతటా ఏకకాలంలో పంపిణీ చేయబడుతుంది. సిస్టమ్ పెద్దదైనప్పుడు మరియు ఎక్కువ entanglement చానెల్‌లు లభ్యమైనప్పుడు, ఈ సమూహ చార్జింగ్ ప్రక్రియ యొక్క సామర్థ్యం నిజానికి మెరుగుపడుతుంది. ఫలితం ఏమిటంటే, ఒక పెద్ద quantum battery, ఒకే శక్తి ఇన్‌పుట్‌లో, చిన్న బ్యాటరీ కంటే ఎక్కువ వేగంగా కణానికి చార్జ్ అవుతుంది — ఇది శాస్త్రీయ భౌతికశాస్త్రం ఊహించిన దానికి విరుద్ధం.

సేంద్రీయ Semiconductors యొక్క పాత్ర

ఆస్ట్రేలియన్ టీమ్ కార్యులో ఒక ప్రధాన సాంకేతిక సాధన గరిష్ఠ cryogenic వ్యవస్థల కంటే సేంద్రీయ semiconductor పదార్థాలను ఉపయోగించి quantum charging advantage ను ప్రదర్శించడం. Quantum battery కి ఇటిఏ సైద్ధాంతిక ప్రతిపాదనలు సాధారణంగా పూర్ణ సున్నా దగ్గర ఉష్ణోగ్రతలో కార్యకలాపాలను భావించారు, ఇక్కడ quantum coherence నిర్వహించడం సులభమైనది కానీ ఆచరణాత్మక అనువర్తనాలు తీవ్రంగా పరిమితంగా ఉన్నాయి. సేంద్రీయ semiconductors రూమ్ ఉష్ణోగ్రతలో quantum battery ఆపరేషన్‌కు అవసరమైన quantum coherent electronic స్థితులను సపోర్ట్ చేయగలవు, ఇది సాంకేతికతను వాస్తవ-ప్రపంచ పరికరాల కోసం సంభావ్యతగా చేస్తుంది.

ప్రోటోటైప్‌లో ఉపయోగించిన నిర్దిష్ట సేంద్రీయ semiconductor Frenkel exciton transport ను సపోర్ట్ చేస్తుంది — పదార్థం యొక్క పరమాణు నిర్మాణం ద్వారా coherently ప్రచారం చేయగల ఒక రకమైన ఉత్తేజిత electronic స్థితి. చార్జింగ్ సమయంలో ఈ coherent transport మార్గను ఉపయోగించుకోవడానికి పరికరాన్ని రూపొందించడం ద్వారా, టీమ్ ఖరీదైన refrigeration కట్టమ structures లేకుండా ఒక సిస్టమ్‌లో quantum advantage చూడగలిగారు.

ప్రోటోటైప్ నుండి ఆచరణాత్మక పరికరం వరకు

ప్రస్తుత ప్రోటోటైప్ ఒక proof-of-concept కాక, ఉత్పాదక-సిద్ధ సాంకేతికత. సంపాదించిన శక్తి సాంద్రం lithium-ion బ్యాటరీల కంటే గణనీయంగా తక్కువ, మరియు పరికరం మరుగుదల మూల్యాంకన కోసం వేలాది charge-discharge చక్రాల ద్వారా పరీక్షించబడలేదు. తక్షణ పరిశోధన శోధన quantum coherence చార్జింగ్ సమయంలో ఎలా నిర్వహించబడుతుందో మరియు ఉష్ణోగ్రత మరియు పరిస్థితులు ఆదర్శ ప్రయోగశాల సెట్టింగ్‌ల నుండి భిన్నంగా ఉన్నప్పుడు పరికరం ఎలా నిర్వహిస్తుందో అర్థం చేసుకోవడంపై ఆరిబటిస్తుంది.

ఈ పరిశోధనను ప్రేరేపించిన సంభావ్య అనువర్తనాలలో ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల కోసం వేగవంతమైన చార్జింగ్, electric vehicles మరియు గ్రిడ్ storage వ్యవస్థలు చేర్చబడ్డాయి, ఇక్కడ ఎత్తైన రేట్‌ల వద్ద శక్తిని గ్రహించే సామర్థ్యం దానిని నిల్వ చేసే సామర్థ్యం కంటే సమానమైనది. Quantum charging advantage పరికరం పరిమాణం మరియు శక్తి సామర్థ్యాన్ని పెరుగుతున్నప్పుడు నిర్వహించబడితే, charging కట్టమకు ప్రభావం ముఖ్యమైనది కావచ్చు — ఖాస్తుర EV అనువర్తనాల కోసం, charging సమయాన్ని తగ్గించడం సామూహిక అవలంబనకు ప్రధాన అవరోధాలలో ఒకటిగా ఉంది.

భౌతిక స్కేల్‌కు సైద్ధాంతిక ధృఢీకరణ

ఈ ప్రోటోటైప్ యొక్క ప్రాముఖ్యత దాని దగ్గర-కాల అనువర్తన సంభావ్యత కంటే ఎక్కువ విస్తృతమైనది. Quantum batteries ఒక దశాబ్దానికి ఎక్కువ కాలం ముందు సైద్ధాంతికంగా ప్రతిపాదించబడ్డాయి, మరియు అనుమానిత quantum advantage ను ప్రదర్శించే ఫంక్షనల్ పరికరం నిర్మించడం సైద్ధాంతిక కార్యకు నిబద్ధతను సమర్థిస్తుంది, ఇది కొన్నిసార్లు decoherence నిర్వహణ గురించిన ఊహలు ఎంతవరకు భౌతికంగా సాధ్యమైనవి అని ప్రశ్న చేయబడ్డాయి. ఆస్ట్రేలియన్ ప్రోటోటైప్ ఈ ప్రశ్నకు సానుకూలంగా సమాధానమిస్తుంది, కనీసం ఒక ప్రయోగశాల సెట్టింగ్‌లో.

ఈ ధృఢీకరణ field ని త్వరణం చేస్తుంది, సైద్ధాంతికులకు quantum battery physics వాస్తవమైనది అని విశ్వాస ఇస్తూ, ఇది idealized కానిది కూడా, మరియు ఇంజనీర్‌లకు ఒక నిర్దిష్ట డిజైన్ భాష ఇస్తుంది — సేంద్రీయ semiconductors coherent exciton transport ను సపోర్ట్ చేస్తాయి — దీనిపై తర్వాతి తరం యొక్క ప్రయోగాత్మక పరికరాలను ఆధారం చేయవచ్చు, ఇవి ఎక్కువ శక్తి సాంద్రం మరియు ఆచరణాత్మక form factors ను లక్ష్యంగా చేస్తాయి.

ఈ కథ Interesting Engineering యొక్క నివేదన ఆధారంగా ఉంది. అసలు కథ చదవండి.