یک راه‌حل خیالی: ویژگی عجیب قلمرو کوانتومی امکان جمع‌آوری انرژی بهینه در دستگاه کوچک را فراهم می کند

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۱۸ می، ۲۰۲۱
لینک منبع: A Ghostly Solution: Strange Property of the Quantum Realm Enables Efficient Energy Harvesting in Tiny Device

دانشمندان دانشگاه کلورادو بولدر برای طراحی دستگاه‌هایی که بتوانند گرمای اضافی را از محیط اطراف خود جذب کنند و آن را به الکتریسیته قابل‌استفاده تبدیل کنند، از خاصیت قطبی مانند الکترون‌ها استفاده کرده‌اند.

محققان \"رکتینای نوری\" جدید آنها را در مقاله ای که امروز (18 می 2021) در مجله Nature Communications منتشر شده است، توصیف کرده‌اند. این دستگاه‌ها، که کوچک‌تر از آن هستند که با چشم غیر‌مسلح دیده شوند، تقریبا ۱۰۰ برابر کارآمدتر از ابزارهای مشابه مورد استفاده برای برداشت انرژی هستند. و آن‌ها این شاهکار را از طریق یک فرآیند مرموز به نام «تونل زنی تشدیدی» به دست می‌آورند-- که در آن الکترون‌ها بدون صرف انرژی از مواد جامد عبور می‌کنند.

امینه بلکادی، نویسنده ارشد، که اخیرا دکترای خود را از دپارتمان مهندسی برق، کامپیوتر و انرژی (ECEE) گرفته‌است، گفت: آن‌ها مانند ارواح وارد می‌شوند. او توضیح داد که این آنتن‌ها (کوتاه‌شده «آنتن‌های یکسوساز») کمی مانند آنتن‌های رادیویی اتومبیل کار می‌کنند. اما به جای جمع‌آوری امواج رادیویی و تبدیل آن‌ها به آهنگ، رکتینای نوری، نور و گرما را جذب می‌کنند و آن را به قدرت تبدیل می‌کنند.

آن‌ها همچنین تغییر‌دهنده بالقوه بازی در دنیای انرژی‌های تجدیدپذیر هستند. از نظر تئوری رکتن‌های کار می‌توانند گرمای حاصل از دودکش‌های کارخانه یا کوره‌های نانوایی را که در غیر این صورت به هدر می‌رفتند، برداشت کنند. برخی دانشمندان حتی پیشنهاد نصب این دستگاه‌ها بر روی کشتی‌های هوایی را داده‌اند که با ارتفاع زیاد بر فراز سطح زمین پرواز می‌کنند تا انرژی تابشی از زمین به فضا را جذب کنند.

مطالعه محققان با یک مانع بزرگ در محاسبات کوانتومی روبرو هستند توصیه می‌شود.

اما، تاکنون، رکتین‌ها نتوانسته‌اند به کارایی لازم برای رسیدن به این اهداف دست یابند. در مطالعه جدید، بلکادی و همکارانش اولین رکتینایی را طراحی کرده‌اند که قادر به تولید برق هستند. او گفت: «ما برای اولین بار الکترون‌هایی را نشان می‌دهیم که در حال تونل زنی تشدید شده در رکتینای نوری برداشت انرژی هستند.» تا به حال، این تنها یک امکان نظری بود.

نویسنده مطالعه، گرت مودل، استاد ECEE، گفت که این مطالعه پیشرفت بزرگی برای این فناوری است. او گفت: این نوآوری گام مهمی در جهت عملی‌تر کردن آنتن‌های یکسوساز است.» « در حال حاضر، راندمان واقعا پایین است، اما افزایش خواهد یافت.

یک مشکل غیرقابل حل

این تحولی است که مودل، که به معنای واقعی کلمه، کتاب را روی این دستگاه ها نوشته است، مدت‌ها است که چشم انتظار آن است. از سال ۱۹۶۴ زمانی که یک مهندس به نام ویلیام سی براون برای به قدرت رساندن یک هلیکوپتر کوچک از امواج ماکروویو استفاده کرد، رکتینا در اطراف وجود داشتند. آن‌ها ابزارهای نسبتا ساده‌ی ساخته‌شده از یک آنتن هستند که تشعشع را جذب می‌کند، و یک دیود، که انرژی را به جریان‌های DC تبدیل می‌کند.

او گفت: « مانند یک گیرنده رادیویی است که نور را به شکل امواج الکترومغناطیسی دریافت می‌کند.» با این حال، مشکل این است که برای ثبت تابش حرارتی و نه فقط امواج مایکروویو، رکتینا باید بسیار کوچک باشند - بسیار نازک‌تر از موی انسان. و این می‌تواند طیف وسیعی از مشکلات را ایجاد کند. به عنوان مثال، هر چه یک دستگاه الکتریکی کوچک‌تر باشد، مقاومت آن بیشتر شده که می‌تواند خروجی توان رکتینا را کوچک کند.

بلکادی گفت: « شما به این دستگاه نیاز دارید که مقاومت بسیار کمی داشته باشد، اما همچنین باید نسبت به نور واقعا پاسخگو باشد.» « هر کاری که شما برای بهتر کردن این وسیله انجام دهید، روش دیگر را بدتر می کند.»

به عبارت دیگر، برای دهه‌ها، رساختارهای نوری مانند یک سناریو بدون برد به نظر می‌رسیدند. تا اینکه بلکادی و همکارانش، که شامل محقق فوق‌دکترا آیندرا ورکادی نیز می‌شود، بر سر راه حلی قرار گرفتند: چرا کاملا از این مانع صرف‌نظر نکنیم؟

ممکن است علاقه‌مند به مطالعه اولین شبکه کوانتومی چند گرهی راه را برای اینترنت کوانتومی هموار می‌کند باشید.

یک راه‌حل شبح مانند و خیالی

رویکرد این تیم متکی بر ویژگی عجیب حوزه کوانتومی است.

بلکادی توضیح داد که در رکتینای سنتی، الکترون‌ها باید از یک عایق عبور کنند تا انرژی تولید کنند. این عایق‌ها مقاومت زیادی به دستگاه‌ها اضافه می‌کنند، و میزان برقی که مهندسان می‌توانند از آن خارج کنند را کاهش می‌دهند.

با این حال، در آخرین مطالعه، محققان تصمیم گرفتند که دو عایق را به دستگاه‌های خود اضافه کنند، نه فقط یک عایق. این افزایش اثر ضد شهودی ایجاد یک پدیده پر انرژی به نام چاه کوانتومی را داشت. اگر الکترون‌ها فقط با انرژی مناسب به این چاه برخورد کنند، می‌توانند از آن برای تونل زدن در میان دو عایق استفاده کنند و هیچ مقاومتی در این فرآیند تجربه نمی‌کنند. بی‌شباهت به شبحی که از دیواری بدون مزاحمت عبور می‌کند، نیست. یک دانشجوی تحصیلات تکمیلی در گروه تحقیقاتی مودل قبلا نظریه‌پردازی کرده بود که چنین رفتار طیفی می‌تواند در رکتینای نوری ممکن باشد، اما تا کنون هیچ‌کس نتوانسته بود آن را اثبات کند.

بلکادی گفت: "اگر مواد خود را درست انتخاب کرده و از ضخامت مناسب بدست آورید، این نوع انرژی را در جایی ایجاد می کند که الکترون ها هیچ مقاومتی ندارند."

آن‌ها فقط به سرعت حرکت می‌کنند. و این به معنای قدرت بیشتر است. بلکادی و همکارانش برای آزمایش اثر شبه‌وار، شبکه‌ای با حدود ۲۵۰ هزار رکتینا، که به شکل تیرک‌های کوچک هستند، را بر روی یک صفحه داغ در آزمایشگاه قرار دادند. سپس آنها گرما را بالا بردند.

این دستگاه‌ها قادر به جذب کم‌تر از ۱٪ گرمای تولید شده توسط صفحه داغ بودند. اما بلکادی فکر می‌کند که این ارقام تنها در حال افزایش هستند.

او گفت: اگر ما از مواد مختلف استفاده کنیم و یا عایق‌های خود را تغییر دهیم، ممکن است بتوانیم آن را عمیق‌تر کنیم هرچه چاه عمیق‌تر باشد، الکترون‌های بیشتری می‌توانند از تمام مسیر عبور کنند. مودل منتظر روزی است که رکتناها در بالای همه چیز قرار بگیرند، از پنل‌های خورشیدی روی زمین گرفته تا سبک‌تر از وسایل نقلیه هوایی در هوا. اگر شما بتوانید گرمای ساطع شده در عمق فضا را ثبت کنید، در این صورت می‌توانید در هر زمان و هر جایی قدرت را به دست آورید.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله علوم کامپیوتر ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.