باتری کوانتومی؛ آینده ذخیره انرژی با عمر بی پایان

فرآیند تخلیه برعکس فرآیند شارژ است. در این حالت یون های لیتیوم از کاتد جدا شده و به سمت کاتد حرکت می کنند. در همان زمان، الکترون ها نیز از کاتد به آند جریان می یابند، جایی که یون های لیتیوم پس از ترکیب با اتم های لیتیوم تولید می شوند. این فرآیند مربوط به تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره شده در باتری به انرژی الکتریکی است.

از باتری‌های کوچکی که در خانه استفاده می‌کنیم تا باتری‌های لیتیوم یونی مورد استفاده در خودروهای تسلا، همه با انجام واکنش‌های شیمیایی برق تولید می‌کنند. باتری ها در طول سال ها تغییر زیادی کرده اند و قادرند انرژی بیشتری را برای مدت زمان طولانی تری ذخیره کنند. اما انسان به دنبال راهی برای ذخیره انرژی در باتری ها برای مدت طولانی و حتی نامحدود است. چگونه باتری های کوانتومی می توانند این کار را انجام دهند. قبل از صحبت در مورد ساختار این باتری ها، اجازه دهید با مفاهیم اساسی در فیزیک کوانتومی آشنا شویم.

دنیای کوانتومی با دنیایی که ما می شناسیم بسیار متفاوت است و ذرات در این جهان از قوانین متفاوتی پیروی می کنند. کلمه کوانتوم از کلمه لاتین quantus به معنای بسیار کوچک گرفته شده است و برای توصیف کوچکترین واحد گسسته ممکن از هر کمیت فیزیکی مانند انرژی یا ماده استفاده می شود. بنابراین، وقتی در مورد باتری‌های کوانتومی صحبت می‌کنیم، باید روی مقیاس‌های بسیار کوچک (مثلاً سطح نانومتری) تمرکز کنیم.

برای درک بهتر این موضوع، اجازه دهید نگاهی دقیق تر به اتم بیندازیم. تصویر زیر مدل اتمی ارائه شده توسط نیلز بور را نشان می دهد. بر اساس این مدل، الکترون ها در مدارهای دایره ای به دور هسته اتم حرکت می کنند.

اروین شرودینگر بعداً مدل دقیق تری به نام مدل ابری ارائه کرد که در آن تابع احتمال حضور یک الکترون در اطراف هسته ظاهر می شود. اگرچه مدل ابر الکترونی دقیق تر است، اما ما از مدل اتمی بور برای سادگی و درک بهتر برهمکنش های اتمی استفاده می کنیم.

همانطور که الکترون از لایه داخلی نزدیک به هسته به لایه بیرونی دورتر از هسته حرکت می کند، انرژی اتم افزایش می یابد. این افزایش انرژی اساس نحوه عملکرد باتری های کوانتومی است. از آنجایی که فقط حالت های انرژی اتم مورد توجه است، به جای استفاده از مدل اتمی بور، حالات انرژی را به شکل یک نردبان نشان می دهیم. راه های زیادی برای افزایش انرژی اتم ها وجود دارد که برای شارژ باتری های کوانتومی استفاده می شود. یکی از این روش ها استفاده از فوتون است که در مقاله زیر به توضیح آن خواهیم پرداخت.

متون لیبرال

ذرات تحت شرایط خاصی وارد حالت های کوانتومی می شوند: دمای بسیار پایین و خلاء. در این شرایط ذرات می توانند رفتارهای متفاوتی را به طور همزمان از خود نشان دهند. در این مورد، ذرات کوانتومی می توانند برای انجام کارهای خارق العاده مانند انجام محاسبات ریاضی بسیار پیچیده با استفاده از رایانه های کوانتومی و ذخیره انرژی بی نهایت در باتری های کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند.

سیستم های کوانتومی خاصیت عجیبی به نام درهم تنیدگی کوانتومی از خود نشان می دهند. درهم تنیدگی کوانتومی یکی از پیچیده ترین پدیده های فیزیک کوانتومی است. این ویژگی کوانتومی به فیزیکدانان اجازه می دهد تا بین ذرات در فواصل طولانی ارتباط برقرار کنند. ارتباطی که به نظر می رسد قوانین نسبیت انیشتین را نقض می کند. دو سکه، یکی در دست چپ و دیگری در دست راست نگه دارید. این دو ارز در هم تنیده نیستند، یعنی چرخاندن یک سکه تاثیری بر دیگری ندارد.

ارزش هر سکه معادل 50 درصد است و با نگاه کردن به هر سکه این وضعیت تغییر نخواهد کرد. حالا فرض کنید می توانید از جادو برای درهم تنیدن سکه ها استفاده کنید. در نتیجه، اگر یک سکه بعد از پرتاب ظاهر شود، سکه دیگر بعد از پرتاب ظاهر می شود، حتی اگر آنها از هم دور باشند.

فرض کنید هر سکه را قبل از شروع سفر فضایی خود به دو فضانورد دادیم و سپس آنها در سفینه فضایی خود و در جهت مخالف به مدت ده سال از یکدیگر دور شدند. سرانجام، ده سال بعد، دو فضانورد سکه های خود را برمی گردانند و نتایج را از طریق سیگنال های رادیویی برای یکدیگر ارسال می کنند. اگرچه سیگنال های رادیویی پس از مدت زمان مشخصی به مقصد می رسند، اما هر فضانوردی نتیجه پرتاب سکه فضانورد دیگر را پس از پرتاب سکه خود و دیدن نتیجه به دلیل درهم تنیدگی کوانتومی بین سکه ها می داند. بنابراین برای اطلاع از نتایج نیازی به دریافت سیگنال رادیویی نیست.

این آزمایش فرضی ساده همان کاری است که درهم تنیدگی کوانتومی در آزمایش‌های تجربی با مولکول‌ها انجام می‌دهد. فرض کنید می خواهید دو مولکول را در آزمایشگاه به هم متصل کنید. برای این کار در مرحله اول باید از قرار گرفتن اسپین های دو ذره در مقابل هم مطمئن شوید. سپس دو ذره را به فاصله هزاران کیلومتری از هم ببرید و اسپین یکی از آنها را اندازه بگیرید. اگر اسپین ذره اندازه گیری شده در جهت بالا باشد، اسپین ذره دیگر قطعا در جهت پایین خواهد بود.

ما می توانیم از درهم تنیدگی کوانتومی در محاسبات کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی یا ساخت باتری های کوانتومی استفاده کنیم. این پدیده در نگاه اول بسیار عجیب و غیر قابل باور به نظر می رسد، اما از ویژگی های طبیعت و دنیای ماست. جان استوارت بل فیزیکدان ایرلندی آنها را به معادلات ریاضی تبدیل کرد.

برهم نهی کوانتومی یکی دیگر از مفاهیم اساسی در فیزیک کوانتومی است. اگر به فیزیک کوانتومی علاقه دارید، حتما نام گربه شرودینگر را شنیده اید. گربه شرودینگر یک آزمایش فکری بسیار معروف است که در آن یک گربه در داخل جعبه است و می تواند زنده یا مرده باشد. این گربه در حالت برهم نهی کوانتومی قرار دارد.

آیا این آزمایش فکری عجیب به دنیای واقعی که در آن زندگی می کنیم مربوط است؟ بله و نه، ایده گربه شرودینگر به یک پدیده واقعی که یک ذره در دنیای کوانتومی می تواند همزمان دو کار متضاد انجام دهد، مربوط نمی شود. آزمایش دو شکاف را در نظر بگیرید. در این آزمایش به نظر می رسد که الکترون همزمان از دو شکاف عبور می کند. این پدیده را می توان با در نظر گرفتن الکترون به عنوان موج و نه ذره توضیح داد. همچنین می توان گفت که یک الکترون مجموع تمام مسیرهای ممکن است. با جمع همه این مسیرها شکلی موج مانند به دست می آوریم.