اختراق النموذج الأولي للبطارية الكمومية: لا يستغرق الشحن سوى فيمتوثانية ولكن به عيب قاتل

الملخص:

يُذكر أن فريقًا بقيادة جيمس كواتش، الباحث في علوم الكم في منظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية الأسترالية، نجح في بناء نموذج أولي لبطارية كمومية يمكن شحنها عند مستوى الفيمتو ثانية (10 ناقص 15 ثانية) واستخراج التيار منها لأول مرة.

المبدأ الأساسي لهذه البطارية الكمومية هو التأثير الكمي الذي يسمى "الامتصاص الفائق". في البطاريات التقليدية، كلما كانت البطارية أكبر، كلما استغرق شحنها وقتًا أطول. تأثير الامتصاص الفائق هو عكس ذلك تمامًا. كلما زاد عدد الجزيئات المشاركة، كلما كان النظام يمتص الطاقة بشكل أسرع.

يستخدم النموذج الأولي للجهاز بنية تجويف بصري صغير، يتكون من مرآتين تفصل بينهما حوالي 100 نانومتر، مع جزيئات صبغة عضوية مملوءة بين أسطح المرآة.

بعد حقن الليزر في التجويف الدقيق، يتفاعل الضوء بقوة مع الجزيئات، مما يؤدي إلى حالة مادة خفيفة مختلطة. في هذه الحالة، لم تعد الجزيئات تمتص الطاقة بشكل مستقل كما هو الحال في الأنظمة الكلاسيكية، ولكنها تستجيب بشكل جماعي لالتقاط الطاقة الضوئية في حدث امتصاص فائق واحد، مما يتيح شحن الفيمتو ثانية.

أظهر فريق كواتش لأول مرة تأثير الامتصاص الفائق في إحدى المجلات في عام 2022، وتم الاستشهاد بالبحث أكثر من 345 مرة.

في مارس 2026، ذهب الفريق إلى أبعد من ذلك ونجح في استخراج التيار من النموذج الأولي للبطارية الكمومية. وتُظهر أحدث التجارب أيضًا جدوى امتصاص الطاقة واستخراجها بسرعة من البطاريات الكمومية.

ومع ذلك، لا تزال هناك فجوة كبيرة بين البطاريات الكمومية والتطبيقات العملية.

لا يستطيع النموذج الأولي الحالي سوى تخزين كمية صغيرة جدًا من الطاقة، حوالي بضعة مليارات من الإلكترون فولت، ووقت الاحتفاظ بالطاقة هو نانوثانية فقط (10 ناقص 9 ثوانٍ)، وهو ما يزيد بحوالي ستة أوامر أسية عن وقت الشحن.

للمقارنة، تبلغ الطاقة المخزنة في بطارية الهاتف المحمول حوالي عشرات الآلاف من الجول، أي بفارق يزيد عن عشرة أوامر أسية.

قال داريو فيرارو، الأستاذ المشارك في الفيزياء بجامعة جنوة، في إحدى المقابلات:

إن الهدف من البطاريات الكمومية ليس زيادة تخزين الطاقة في البطارية بشكل كبير، ولكن تحسين سرعة ودقة نقل الطاقة. إن الجاذبية الأساسية للبطاريات الكمومية هي إمكانية الشحن السريع للغاية وتوصيل الطاقة بدقة، بدلاً من التنافس على السعة مع بطاريات الليثيوم.

كشف كواتش أن الفريق قام ببناء تصميم هجين لاختراق القيود الحالية. يستخدم التصميم مكونات كمومية للشحن السريع وطبقات المواد الكلاسيكية لتخزين الطاقة على المدى الطويل، في محاولة لمراعاة ميزة السرعة للتأثيرات الكمومية ومتانة تخزين الطاقة التقليدية. الأوراق ذات الصلة قيد الإعداد.

يُذكر أن البطاريات الكمومية لن تظهر في الهواتف المحمولة أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو المركبات الكهربائية على المدى القصير. لكن قدراتها على نقل الطاقة السريعة قد تجد تطبيقات مستقبلية في الأجهزة الكمومية والأنظمة المتخصصة الأخرى، مثل توفير توصيل دقيق للطاقة إلى الكيوبتات في أجهزة الكمبيوتر الكمومية.