Bilim insanları, femtosaniye düzeyinde şarj olduktan sonra elektrik akımı üretebilen bir kuantum batarya prototipi geliştirdi. Bu çalışma, büyük ölçüde teoride kalan ve küçük ölçekli laboratuvar deneyleriyle sınırlı olan bir teknoloji için önemli bir adım anlamına geliyor. Prototip, geleneksel bataryaların yerini almaktan henüz çok uzak ama kuantum etkilerinin nihayetinde kuantum donanımlarında ve diğer özel sistemlerde daha hızlı enerji transferi sağlayabileceğini dair kanıt sunuyor.
CSIRO kuantum bilimi araştırmacısı James Quach liderliğindeki bir ekip tarafından geliştirilen cihaz, süperabsorpsiyon adı verilen bir kuantum etkisinden yararlanacak şekilde tasarlandı. Basit bir ifadeyle, sisteme ne kadar çok molekül dahil olursa, sistem enerjiyi o kadar hızlı emebiliyor.
Bu durum, boyutları büyüdükçe genellikle şarj süreleri uzayan geleneksel bataryaların tam tersi bir işleyişi gösteriyor. Yapılan çalışma, kuantum bataryaların telefonlarda, dizüstü bilgisayarlarda veya elektrikli araçlarda kullanılanların yerini almaya hazır olduğu anlamına gelmiyor. Prototip yalnızca küçük miktarda enerji depoluyor ve bu enerjiyi nanosaniye seviyesinde tutabiliyor. Yine de araştırmacılar, deneyin kuantum bataryadan enerjinin hızla emilebileceğini ve çekilebileceğini gösterdiğini belirtiyor.
Prototip, aralarında yaklaşık 100 nanometre mesafe bulunan iki aynadan yapılmış bir optik mikro boşluk (microcavity) kullanıyor. Aynaların arasındaki boşluk organik boya molekülleriyle dolduruluyor. Boşluğa tutulan lazer ışığı, ışık ve moleküllerin güçlü bir şekilde etkileşime girmesini sağlıyor.
Bu etkileşim hibrit ışık-madde durumları oluşturuyor. Moleküller, klasik bir sistemde olacağı gibi enerjiyi bağımsız olarak emmiyor; bunun yerine toplu olarak yanıt veriyor.
Batarya femtosaniye, yani saniyenin katrilyonda biri kadar bir sürede şarj oluyor. Enerjiyi ise şarj süresinden yaklaşık altı büyüklük mertebesi daha uzun bir süre boyunca, yani nanosaniye ölçeğinde koruyabiliyor.
Quach’ın ekibi süperabsorpsiyonu ilk olarak 2022 yılında gösterdi. Yeni deney ise bu sisteme elektrik akımı çekme yeteneğini ekledi. Elde edilen akım hâlâ küçük fakat bunu başarmak, kuantum bataryayı bir fizik deneyinin ötesinde kullanışlı hale getirme yolunda önemli bir adım.
Kuantum bataryaların yalnızca daha fazla enerji depolayarak geleneksel bataryalarla rekabet etmesi beklenmiyor. Bu teknolojinin çekici yanı, çok hızlı şarj imkanı ve hassas enerji aktarımı potansiyeli sunması.
Genova Üniversitesi‘nde fizik doçenti olan Dario Ferraro BBC‘ye yaptığı açıklamada, kuantum bataryaların bir bataryanın depolayabileceği enerji miktarını önemli ölçüde artırmaktan ziyade, enerjinin aktarım hızını ve kontrolünü iyileştirmeyi amaçladığını söyledi.
Şimdilik prototiple kullanılabilir bir güç kaynağı arasındaki fark hâlâ çok büyük. Cihaz yalnızca birkaç milyar elektron volt enerji tutabiliyor ve bunu çok kısa bir süre koruyor. Gerçek dünyadaki bir sistemin çok daha büyük kapasiteye ve çok daha uzun depolama sürelerine ihtiyacı bulunuyor.
Quach, ekibinin bu sınırlamaları çözmeyi amaçlayan hibrit bir tasarım geliştirdiğini belirtti. Bu tasarım, hızlı şarj için kuantum bileşenlerini enerjiyi daha uzun süre depolayabilen klasik katmanlarla birleştiriyor. Quach, ekibin bu çalışma hakkında bir makale hazırladığını belirtti.
Araştırmacılar ayrıca birden fazla mikroskobik bataryayı birbirine bağlamayı planlıyor. Quach, “Bu iki şeyi yaparsak, geleneksel bir cihaza güç sağlama yolunda önemli bir mesafe katetmiş olacağız.” dedi.
Optik mikro boşluk sisteminin pratik bir avantajı var: Oda sıcaklığında çalışıyor. Diğer kuantum batarya tasarımları, kuantum bilgisayarlarında zaten önemli olan ancak aşırı soğuk çalışma koşulları gerektiren süper iletken malzemeler kullanıyor.
Süper iletken sistemler -150°C‘nin altındaki sıcaklıklarda çalışabiliyor. Quach, “Bu durum kuantum bilgisayarları için uygun; ancak cep telefonunuza güç sağlamak için pek kullanışlı değil.” dedi.
Belfast Queen’s Üniversitesi’nde kuantum fizikçisi olan Mauro Paternostro, optik yaklaşımın kuantum şarjının çalışabileceğini göstermek adına güçlü bir yöntem olduğunu belirtti ama bu tür bir sistemden enerjiyi kontrollü ve kullanışlı bir şekilde çekmenin zor olabileceğini ekledi. Paternostro, “Bir mikro boşluk size harika bir toplu gösterim sunuyor ancak enerjiyi kullanışlı ve yönlendirilmiş bir biçimde geri alma konusunda zayıf bir kontrol sağlıyor.” dedi.
Kuantum bataryalar pratik kullanım aşamasına ulaşırsa ilk kullanım alanları tüketici elektroniğinden çok kuantum donanımları olabilir. Kuantum bilgisayarlar zaten özel ekipmanlara ihtiyaç duyuyor ve bazıları kriyojenik sıcaklıklarda çalışan süperiletken sistemler kullanıyor.
Quach, bir kuantum bataryanın nihayetinde kuantum cihazlarındaki enerji kullanımını azaltmaya yardımcı olabileceğini ve daha hızlı, daha güvenilir bir çalışmayı destekleyebileceğini söyledi. Bununla birlikte, bu faydalar henüz kanıtlanmış değil.
Ferraro, kuantum etkilerinin hassas olduğunu ve sistem çevreyle etkileşime girdiğinde bozulabileceğini ifade etti. Kuantum bataryaların en çok kuantum ölçeğindeki uygulamalarda yararlı kalmasını beklediğini söyledi: “Bana göre… kuantum bataryaların cep telefonları veya elektrikli araçlar gibi günlük uygulamalarda geleneksel bataryaların yerini alması muhtemel değil. Onların doğal alanı kuantum ölçeğidir.”
Son prototip bu tartışmayı sonlandırmıyor. Yine de araştırmacıların bir sistemi hızlı bir şekilde şarj etmek ve elektrik akımı çekmek için kuantum etkilerini kullanabileceğini gösteriyor. Bundan sonraki zorluk, daha fazla enerji depolayabilen, bunu daha uzun süre tutabilen ve ihtiyaç duyulan yere salabilen bir cihaz inşa etmek.
Kaynak: http://techspot.com/news/113657-scientists-build-quantum-battery-charges-quadrillionths-second-can.html
