Dephasing-powered open quantum-dot battery

تُعد البطاريات هي القوى العاملة الصامتة في الحياة الحديثة، حيث تخزن الطاقة عندما تكون وفيرة وتطلقها عندما تكون هناك حاجة إليها. في العالم الكلاسيكي، نبنيها من مواد كيميائية تتفاعل لتحريك الإلكترونات. ولكن مع تقليص العلماء لأدواتهم إلى مقي তো ذرة واحدة، ظهر نوع جديد من البطاريات: البطارية الكمومية. تهدف هذه الأجهزة إلى تخزين الطاقة في الحالات الكمومية الغريبة والهشة، آملةً في الشحن بشكل أسرع والاحتفاظ بقدر أكبر من الطاقة مقارنة بنظيراتها الكيميائية. ويتمثل التحدي المركزي في هذا المجال في التمييز بين الطاقة التي تكتفي بمجرد الاستقرار في نظام ما، والطاقة التي يمكن استخدامها بالفعل للقيام بعمل ما. في الفيزياء الكمومية، يمكن أن تكون الحالة مليئة بالطاقة ولكنها تظل "خاملة"، مما يعني أنه لا يمكن لأي قدر من التلاعب الذكي استخراج جول واحد من العمل المفيد منها. لكي تكون البطارية حقيقية، يجب أن يكون النظام الكمومي "نشطاً"، أي يحمل طاقة في تكوين يسمح بإطلاقها عند الطلب.

لقد اقترح فريق من الباحثين الآن طريقة لبناء مثل هذه البطارية باستخدام سلسلة بسيطة من ثلاث جزر صغيرة من الإلكترونات، تُعرف باسم النقاط الكمومية (quantum dots)، ومصدر غريب للطاقة يُسمى "إلغاء الترابط الموضعي" (local dephasing). عادةً، ينظر العلماء إلى إلغاء الترابط كأمر مزعج، وهو نوع من الضجيج الساكن الذي يشتت المعلومات الكمومية الدقيقة ويفسد التجارب. ومع ذلك، يظهر هذا العمل الجديد أنه إذا تم تطبيق إلغاء الترابط بالطريقة الصحيحة تماماً، فيمكنه أن يعمل كمحرك قوي. ومن خلال هز مستويات الطاقة في النظام دون إضافة أو إزالة إلكترونات، وجد الباحثون أنهم يستطيعون ضخ الإلكترونات إلى حالة تخزين عالية الطاقة كان من المستحيل تقريباً الوصول إليها لولا ذلك. وبمجرد شحنها، تحتفظ البطارية بهذه الطاقة لفترة طويلة، وقد أظهر الفريق طريقتين متميزتين لاستعادة تلك الطاقة، إحداهما يمكنها حتى استخراج عمل أكثر من الحدود القياسية لنظرية الكم المعتادة.

الجهاز الذي صمموه هو سلسلة خطية من ثلاث نقاط كمومية، وهي في الأساس مصائد صغيرة للإلكترونات. تخيل هذه النقاط كأنها ثلاث غرف متتالية. الغرفتان على اليمين متطابقتان وتقعان عند مستوى طاقة منخفض، بينما يتم دفع الغرفة الموجودة في أقصى اليسار إلى مستوى طاقة أعلى بكثير، ويفصل بينهما فجوة كبيرة. الغرفة الموجودة في أقصى اليمين متصلة بخزان من الإلكترونات، مثل بحر من الماء يمكنه التدفق للداخل والخارج. أما الغرفة الموجودة في أقصى اليسار، والتي تعمل كوحدة التخزين، فهي معزولة عن هذا البحر. في الحالة العادية، يفضل الإلكترون طبيعياً البقاء في الغرف ذات الطاقة المنخفضة، وسيكون من الصعب جداً إجباره على الانتقال إلى الغرفة عالية الطاقة في اليسار. أدرك الباحثون أنه من خلال إدخال نوع معين من الضجيج، أو إلغاء الترابط، مباشرة إلى تلك الغرفة اليسرى، يمكنهم تحريك الإلكترونات ذهاباً وإياباً. هذا الضجيج لا يضيف إلكترونات إلى النظام؛ بل إنه يهز مشهد الطاقة بما يكفي لنقل إلكترون من الغرف منخفضة الطاقة إلى غرفة التخزين عالية الطاقة.

تسير العملية لأن الضجيج يتفاعل مع النظام بطريقة تكسر القواعد المعتادة للتوازن. وبينما يهز الضجيج النظام، فإنه يدفع الإلكترونات نحو تلك الحالة عالية الطاقة، مما يخلق خللاً في التوزيع السكاني. تتراكم الإلكترونات في غرفة التخزين، فوق المكان الذي ستستقر فيه طبيعياً. والأهم من ذلك، نظرًا لأن غرفة التخزين مرتفعة جداً في الطاقة وبعيدة جداً عن خزان الإلكترونات، فإن الإلكترونات تظل عالقة هناك؛ إذ لا يمكنها السقوط بسهولة أو الهروب عائدة إلى البحر. وجد الباحثون أن هذه الطريقة تدفع النظام إلى حالة مستقرة حيث يكون جزء كبير من الطاقة المخزنة "نشطاً"، مما يعني أنها جاهزة للاستخدام. وفي محاكاتهم، كانت كفاءة هذا التخزين عالية بشكل ملحوظ، حيث كان حوالي 73 بالمائة من إجمالي الطاقة المخزنة متاحاً للاستخراج. وفي الحد المثالي لدرجات الحرارة المنخفضة جداً، يمكن أن تقترب هذه الكفاءة من 100 بالمائة.

بمجرد شحن البطارية، يمكن إيقاف مصدر الضجيج، وتظل الطاقة محتجزة. وأظهر الباحثون أن الحالة المشحونة مستقرة لفترة طويلة لأن الإلكترون عالي الطاقة معزول فعلياً عن البيئة التي قد تستنزفه عادةً. ولإثبات أن هذه البطارية وظيفية، اختبر الفريق طريقتين لتفريغها. تضمنت الطريقة الأولى تغيراً دورياً بسيطاً في الجهد الكهربائي للنقطة المخزنة؛ فمن خلال خفض طاقة الغرفة المخزنة بسرعة، والسماح للإلكترون بالتحرك، ثم رفعها مرة أخرى، تمكنوا من استخراج كل العمل المتاح تقرياً. استعادت هذه العملية حوالي 98.6 بالمائة من الطاقة النشطة المخزنة، مما يثبت أنه يمكن تفريغ البطارية بالكامل تقريباً باستخدام عنصر تحكم مباشر.

أما طريقة التفريغ الثانية فكانت أكثر إثارة للدهشة. فبدلاً من مجرد تحريك الإلكترون داخل النظام، قام الباحثون بتوصيل نقطة التخزين مباشرة بحمل إلكتروني منفصل، مثل محرك صغير أو دائرة كهربائية. ومن خلال السماح للإلكترون بالانتقال عبر النفق من نقطة التخونة عالية الطاقة إلى هذا الحمل، تمكنوا من تحويل الطاقة المخزنة إلى عمل كهروكيميائي. وفي هذه العملية ذات النظام المفتوح، تمكنت البطارية من تقديم عمل أكثر مما توحي به حدود الطاقة "النشطة" القياسية. حدث هذا لأن التفاعل مع الحمل سمح للنظام بالاستفادة من الطاقة "الخاملة" التي كان يُعتقد سابقاً أنها غير قابلة للاستخدام. اعتمد مقدار العمل المستخرج على إعدادات الحمل، لكن الباحثين وجدوا نطاقاً واسعاً من الإعدادات التي تعمل فيها البطارية بكفاءة، مما يعني أنها لا تتطلب ضبطاً مثالياً لتعمل بشكل جيد.

كما بحثت الدراسة في المدة التي يستغرقها شحن البطارية ومدى استقرارها. ووجدوا أن سرعة الشحن يتم التحكم فيها مباشرة من خلال قوة الضجيج؛ فالضجيج الأقوى يشحن البطارية بشكل أسرع. ومع ذلك، فإن إجمالي الطاقة المخزنة يعتمد في المقام الأول على حجم فجوة الطاقة بين نقطة التخزين والنقاط الأخرى. وأكد الباحثون أنه يمكن إعادة شحن البطارية بعد استخدامها، حيث تستغرق تقريباً نفس الوقت الذي استغرقه الشحن الأول، مما يشير إلى إمكانية استخدامها بشكل متكرر. وبينما يعمل النموذج الحالي بإلكترون واحد، يقترح المؤلفون أن توسيع نطاق هذا النموذج ليشمل العديد من الإلكترونات أو عدة بطاريات تعمل بالتوازي يمكن أن يؤدي إلى أجهزة عملية. يرسخ هذا العمل حقيقة أن إلغاء الترابط الموضعي، الذي يُنظر إليه غالباً كعائق، يمكن تسخيره كمورد لشحن وتغذية البطاريات الكمومية، مما يفتح مساراً جديداً لتخزين الطاقة في العالم الكمومي.