Araştırmacılar, geleneksel pillerdeki kendiliğinden enerji kaybı sorununa çözüm getirmek amacıyla, elmastaki bilinen bir kusurdan faydalanarak daha uzun ömürlü "kuantum pilleri" tasarlamak için umut vadeden yeni bir yöntem geliştirdi. Bu çalışma Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.
Yeni tasarım, kuantum pillerin günlük yaşamda kullanılmasını engelleyen en büyük sorunlardan biri olan otomatik enerji kaybı (kendi kendine boşalma) sorununu çözmeyi hedefliyor. Kuantum piller; dolanıklık (entanglement) ve süperpozisyon gibi kuantum fiziğinin özelliklerinden yararlanarak, geleneksel pillere kıyasla daha hızlı şarj olma ve daha yüksek enerji sağlama potansiyeline sahiptir. Ancak gerçek dünya koşullarında bu pillerin performansı, kuantum uyumunun (coherence) kaybı nedeniyle sınırlı kalmaktadır. Bu kayıp, pillerin kendi kendine boşalmasına ve depolanan enerjinin yitirilmesine yol açar.
Bu çerçevede, Hubei Üniversitesi, Çin Bilimler Akademisi ve Lanzhou Üniversitesi’nden araştırmacılar, elmas içinde bulunan “boş azot merkezi” (NV merkezi) üzerine kurulu bir tasarım önerdi. Bu merkezdeki elektron dönüşü, kuantum pilin çekirdeği gibi işlev görerek enerji depolamanın kontrol edilmesini ve uzun süre muhafaza edilmesini sağlıyor.
Araştırmacılar, NV merkezinin dış kontrol veya karmaşık kuantum şarj cihazlarına ihtiyaç duymadan kendi kendine boşalmayı engelleyebileceğini keşfetti. Bu da sistemi hem daha verimli hem de pratik hale getiriyor.
Çalışmanın ortak baş yazarı Junhong An, önceki yaklaşımlarda boşalmanın önüne geçmek için kullanılan kuantum şarj cihazlarının, dolanıklık nedeniyle sistemin verimliliğini düşürdüğünü ifade etti.
Yeni tasarım ise, sistemin iç kuantum özelliklerine — özellikle merkezin elektronu ile azot çekirdeği arasındaki hassas etkileşime — dayanıyor. Bu etkileşim, uyumlu enerji oranının toplam enerjiye oranını artırarak, pilin enerjiyi daha uzun süre saklamasını mümkün kılıyor.
Bilim insanlarına göre bu yöntem, kuantum pillerin iki ana sorununu hedef alıyor: şarj sırasında uyumun kaybı ve depolama sırasında enerji kaybı.
Boş azot merkezi, elmasın kristal karbon ağı içerisinde yer alan özel bir atomik kusurdur ve kuantum fiziği ile nanoteknolojide en bilinen faydalı kusurlardan biridir. Kuantum algılama ve hesaplama teknolojilerinde kullanılır ve oda sıcaklığında yüksek kararlılığı sayesinde, kuantum cihazların geliştirilmesi için ideal bir platform olarak öne çıkar.
Kuantum termodinamiğine olan ilginin giderek arttığı günümüzde, bu yenilik, kuantum fiziğiyle desteklenen daha hızlı, daha temiz ve daha verimli kuantum pillerin geliştirilmesine kapı aralayabilir.