Dephasing-powered open quantum-dot battery
यह शोध पत्र एक स्वायत्त ओपन क्वांटम-डॉट बैटरी का प्रस्ताव और विश्लेषण करता है जो उच्च-ऊर्जा भंडारण अवस्था को कुशलतापूर्वक चार्ज करने के लिए स्थानीय डीफेज़िंग (local dephasing) का उपयोग करती है, जो निकट-इकाई एर्गोट्रोपिक दक्षता (near-unity ergotropic efficiency) प्रदर्शित करती है और प्रयोगात्मक रूप से सुलभ मेसोस्कोपिक प्रणालियों में संग्रहीत ऊर्जा निकालने के लिए दो विशिष्ट प्रोटोकॉल प्रदान करती है।
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बैटरी आधुनिक जीवन के मौन कार्यबल (silent workhorses) हैं, जो ऊर्जा को तब संचित करती हैं जब वह प्रचुर मात्रा में होती है और तब मुक्त करती हैं जब उसकी आवश्यकता होती है। शास्त्रीय दुनिया में, हम उन्हें उन रसायनों से बनाते हैं जो इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं। लेकिन जैसे-जैसे वैज्ञानिक अपने उपकरणों को व्यक्तिगत परमाणुओं के पैमाने तक छोटा कर रहे हैं, एक नए प्रकार की बैटरी का उदय हुआ है: क्वांटम बैटरी। इन उपकरणों का लक्ष्य ऊर्जा को क्वांटम यांत्रिकी की विचित्र और नाजुक अवस्थाओं में संग्रहीत करना है, जिससे उम्मीद की जा रही है कि वे अपने रासायनिक समकक्षों की तुलना में तेजी से चार्ज होंगी और अधिक शक्ति बनाए रखेंगी। इस क्षेत्र में एक केंद्रीय चुनौती यह अंतर करना है कि कौन सी ऊर्जा केवल एक सिस्टम में मौजूद है और कौन सी ऊर्जा वास्तव में कार्य करने के लिए उपयोग की जा सकती है। क्वांटम भौतिकी में, एक अवस्था ऊर्जा से भरी हो सकती है लेकिन फिर भी "निष्क्रिय" (passive) हो सकती है, जिसका अर्थ है कि किसी भी तरह की चतुराई भरी हेरफेर से उससे एक जूल उपयोगी कार्य भी निकाला नहीं जा सकता। एक वास्तविक बैटरी होने के लिए, एक क्वांटम सिस्टम को "सक्रिय" (active) होना चाहिए, जिसमें ऊर्जा एक ऐसी विन्यास (configuration) में हो जो इसे मांग पर जारी करने की अनुमति दे।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब तीन छोटे इलेक्ट्रॉन द्वीपों, जिन्हें क्वांटम डॉट्स कहा जाता है, की एक सरल श्रृंखला और 'लोकल डीफेजिंग' (local dephasing) नामक ऊर्जा के एक विचित्र स्रोत का उपयोग करके ऐसी बैटरी बनाने का प्रस्ताव दिया है। आमतौर पर, वैज्ञानिक डीफेजिंग को एक बाधा के रूप में देखते हैं—एक प्रकार का स्टैटिक शोर जो नाजुक क्वांटम सूचना को बिखेर देता है और प्रयोगों को खराब कर देता है। हालांकि, यह नया कार्य दिखाता है कि यदि आप डीफेजिंग को बिल्कुल सही तरीके से लागू करते हैं, तो यह एक शक्तिशाली इंजन के रूप में कार्य कर सकती है। इलेक्ट्रॉनों को जोड़े या हटाए बिना सिस्टम के ऊर्जा स्तरों को हिलाकर (shaking), शोधकर्ताओं ने पाया कि वे इलेक्ट्रॉनों को एक उच्च-ऊर्जा भंडारण अवस्था में पंप कर सकते हैं जो अन्यथा प्राप्त करना लगभग असंभव होता। एक बार चार्ज होने के बाद, बैटरी इस ऊर्जा को लंबे समय तक बनाए रखती है, और टीम ने उस ऊर्जा को वापस प्राप्त करने के दो अलग-अलग तरीके प्रदर्शित किए, जिनमें से एक तो मानक क्वांटम सिद्धांत की सामान्य सीमाओं से भी अधिक कार्य निकाल सकता है।
डिवाइस जिसे उन्होंने डिजाइन किया है, तीन क्वांटम डॉट्स की एक रैखिक श्रृंखला है, जो अनिवार्य रूप से इलेक्ट्रॉनों के लिए छोटे जाल (traps) हैं। इन डॉट्स को एक पंक्ति में तीन कमरों के रूप में कल्पना करें। दाईं ओर के दो कमरे समान हैं और एक निम्न ऊर्जा स्तर पर स्थित हैं, जबकि सबसे बाईं ओर का कमरा बहुत ऊंचे ऊर्जा स्तर पर धकेला गया है, जो एक बड़े अंतराल (gap) से अलग है। दायां कमरा इलेक्ट्रॉनों के एक जलाशय (reservoir) से जुड़ा है, जैसे पानी का एक समुद्र जो अंदर और बाहर बह सकता है। सबसे बायां कमरा, जो भंडारण इकाई के रूप में कार्य करता है, इस समुद्र से अलग है। एक सामान्य स्थिति में, एक इलेक्ट्रॉन स्वाभाविक रूप से निम्न-ऊर्जा वाले कमरों में रहना पसंद करेगा, और उसे उच्च-ऊर्जा वाले बाएं कमरे में धकेलना बहुत कठिन होगा। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि उस सबसे बाएं कमरे में सीधे एक विशिष्ट प्रकार का शोर, या डीफेजिंग, पेश करके, वे इलेक्ट्रॉनों को इधर-उधर घुमा सकते हैं। यह शोर सिस्टम में इलेक्ट्रॉन नहीं जोड़ता है; इसके बजाय, यह ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) को इतना हिला देता है कि एक इलेक्ट्रॉन को निम्न-ऊर्जा वाले कमरों से उच्च-ऊर्जा वाले भंडारण कमरे में ले जाया जा सके।
यह प्रक्रिया इसलिए काम करती है क्योंकि शोर (noise) सिस्टम के साथ इस तरह से अंतःक्रिया करता है जो सामान्य संतुलन (equilibrium) के नियमों को तोड़ देता है। जैसे ही शोर सिस्टम को हिलाता है, यह इलेक्ट्रॉनों को उस उच्च-ऊर्जा अवस्था में धकेलता है, जिससे जनसंख्या असंतुलन (population imbalance) पैदा होता है। इलेक्ट्रॉन भंडारण कमरे में जमा हो जाते हैं, जो उनके स्वाभाविक रूप से बसने वाली जगह से बहुत ऊपर है। महत्वपूर्ण बात यह है कि चूंकि भंडारण कमरा ऊर्जा में बहुत ऊंचा है और इलेक्ट्रॉन जलाशय से बहुत दूर है, इसलिए इलेक्ट्रॉन वहां फंस जाते हैं। वे आसानी से नीचे नहीं गिर सकते या समुद्र में वापस नहीं लौट सकते। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह विधि सिस्टम को एक ऐसी स्थिर अवस्था (steady state) में ले जाती है जहाँ संग्रहीत ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा "सक्रिय" होता है, जिसका अर्थ है कि यह उपयोग के लिए तैयार है। उनके सिमुलेशन में, इस भंडारण की दक्षता उल्लेखनीय रूप से उच्च थी, जिसमें कुल संग्रहीत ऊर्जा का लगभग 73 प्रतिशत निष्कर्षण के लिए उपलब्ध था। बहुत कम तापमान की आदर्श सीमा में, यह दक्षता 100 प्रतिशत के करीब पहुंच सकती है।
एक बार जब बैटरी चार्ज हो जाती है, तो शोर के स्रोत को बंद किया जा सकता है, और ऊर्जा फंसी रहती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि चार्ज की गई अवस्था लंबे समय तक स्थिर रहती है क्योंकि उच्च-ऊर्जा वाला इलेक्ट्रॉन उस वातावरण से प्रभावी रूप से अलग रहता है जो सामान्यतः इसे खाली कर देता। यह सिद्ध करने के लिए कि यह एक कार्यात्मक बैटरी है, टीम ने इसे डिस्चार्ज करने के दो तरीकों का परीक्षण किया। पहले तरीके में स्टोरेज डॉट पर वोल्टेज में एक सरल, चक्रीय परिवर्तन शामिल था। स्टोरेज कमरे की ऊर्जा को जल्दी से कम करके, इलेक्ट्रॉन को चलने देकर, और फिर इसे वापस ऊपर उठाकर, वे उपलब्ध लगभग सभी कार्य को निकाल सके। इस प्रक्रिया ने संग्रहीत सक्रिय ऊर्जा का लगभग 98.6 प्रतिशत रिकवर किया, जो यह दर्शाता है कि एक सीधा नियंत्रण नॉब (control knob) उपयोग करके बैटरी को लगभग पूरी तरह से खाली किया जा सकता है।
दूसरा डिस्चार्ज तरीका और भी आश्चर्यजनक था। केवल सिस्टम के भीतर इलेक्ट्रॉन को इधर-उधर घुमाने के बजाय, शोधकर्ताओं ने स्टोरेज डॉट को सीधे एक अलग इलेक्ट्रॉनिक लोड से जोड़ा, जैसे कि एक छोटा मोटर या सर्किट। इलेक्ट्रॉन को उच्च-ऊर्जा वाले स्टोरेज डॉट से इस लोड में टनल (tunnel) करने की अनुमति देकर, वे संग्रहीत ऊर्जा को इलेक्ट्रोकेमिकल कार्य में बदल सके। इस ओपन-सिस्टम प्रक्रिया में, बैटरी मानक "सक्रिय" ऊर्जा की सीमा से अधिक कार्य देने में सक्षम थी। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि लोड के साथ अंतःक्रिया ने सिस्टम को उस "निष्क्रिय" ऊर्जा का लाभ उठाने की अनुमति दी जिसे पहले अनुपयोगी माना जाता था। निकाले गए कार्य की मात्रा लोड की सेटिंग्स पर निर्भर थी, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि सेटिंग्स की एक विस्तृत श्रृंखला में बैटरी कुशलतापूर्वक कार्य करती है, जिसका अर्थ है कि इसे अच्छी तरह से काम करने के लिए सटीक ट्यूनिंग की आवश्यकता नहीं है।
अध्ययन में यह भी देखा गया कि बैटरी को चार्ज करने में कितना समय लगता है और यह कितनी स्थिर रहती है। उन्होंने पाया कि चार्जिंग की गति सीधे शोर की शक्ति द्वारा नियंत्रित होती है; मजबूत शोर बैटरी को तेजी से चार्ज करता है। हालांकि, संग्रहीत ऊर्जा की कुल मात्रा मुख्य रूप से स्टोरेज डॉट और अन्य के बीच ऊर्जा अंतराल (energy gap) के आकार पर निर्भर करती है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि बैटरी का उपयोग करने के बाद इसे फिर से चार्ज किया जा सकता है, जिसमें लगभग उतना ही समय लगता है जितना कि पहले चार्ज में लगा था, जो यह सुझाव देता है कि इसका बार-बार उपयोग किया जा सकता है। हालांकि वर्तमान मॉडल एक एकल इलेक्ट्रॉन के साथ काम करता है, लेखक सुझाव देते हैं कि इसे कई इलेक्ट्रॉनों या समानांतर में चलने वाली कई बैटरियों तक बढ़ाकर व्यावहारिक उपकरण बनाया जा सकता है। यह कार्य स्थापित करता है कि स्थानीय डीफेजिंग, जिसे अक्सर एक समस्या के रूप में देखा जाता है, इसे क्वांटम बैटरी को चार्ज और संचालित करने के लिए एक संसाधन के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, जो क्वांटम दुनिया में ऊर्जा संग्रहीत करने का एक नया मार्ग प्रदान करता है।
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