شهریار سلیمی

ذخیره سازی و توزیع کارآمد انرژی دور از مراکز تولید آن به سرعت در حال تبدیل شدن به یکی از محرک های بازار اقتصادی و چالش های کلیدی تکنولوژی، برای ایجاد یک جامعه پایدار با انرژی سبز است. در نتیجه، باتری ها به یک فناوری حیاتی در جامعه مدرن تبدیل شده اند و تلاش های زیادی برای بهبود عملکرد آنها از نظر ظرفیت، چگالی انرژی، قدرت و طول عمر انجام می شود. تقویت فناوری‌های نانو، کوچک‌سازی این مخازن کار را به یک موضوع اولیه تبدیل کرده است. همانطور که اندازه این دستگاه ها به مقیاس زیر مولکولی نزدیک می شود، منطقی و در واقع مناسب است که یک توصیف کوانتومی از اصول کار آنها را فرموله کنیم. این امر باعث ترسیم مدل‌های نظری شده است که می‌توانند مزایای کوانتومی را از نظر کمیت‌های ترمودینامیک غیرتعادلی مشخص و کمی کنند. به طور کلی، مطالعات روی فرایند شارژ باتری های کوانتومی بر ضرورت استفاده از عملیات های یکانی، متمرکز بوده است. با این حال، نیازی به گفتن نیست که محدود کردن مطالعات به فرآیند شارژ یکانی به شدت کاربرد مدل‌ها را برای سناریوهای واقعی کاهش می‌دهد. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل باتری‌های کوانتومی در چارچوب سامانه های کوانتومی باز ممکن است راه‌های بیشتری برای بهبود پتانسیل باتری‌ها ارائه دهد. از طرفی، در مقایسه با یک فرآیند چرخه ای یکانی، تخلیه غیر یکانی، کار مفید بیشتری را از طریق دسترس پذیری یا اگزرژی (بیشینه انرژی که می توان در حضور یک محیط گرمایی از سامانه کوانتومی استخراج کرد) تأمین می کند. با پیشرفت‌های تجربی اخیر، اکنون امکان اندازه‌گیری خواص انتقال از طریق سامانه‌های نانومقیاس وجود دارد که می توانند شامل انتقال بار الکترونیکی یا انتقال گرما باشند. هر دو ویژگی، یعنی انتقال ترموالکتریک، اخیرا به طور همزمان اندازه گیری شده اند. چنین ویژگی هایی در مقایسه با رسانایی از طریق سامانه های ماکروسکوپی، بسیاری از ویژگی های مهم جدید را نشان می دهند. به طور خاص، برهمکنش‌هایی مانند برهم‌کنش کولنی بین الکترون‌ها و پراکندگی ناشی از ارتعاشات اتمی در اجسام نانومقیاس، اهمیت حیاتی پیدا می‌کنند. بعلاوه، تبدیل گرما به کار در مقیاس نانو موضوعی است که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این تبدیل در بسیاری از سامانه های مزوسکوپیک یا مدل های ناخالصی در حالت پایای غیرتعادلی، از طریق جریان حالت پایای غیرتعادلی ذرات میکروسکوپیک مانند الکترون ها و فوتون ها انجام می شود. بنابراین، مدل‌سازی چنین ویژگی‌های انتقالی در فرایند شارژ باتری های کوانتومی می تواند در دست یابی به یک پروتکل شارژ بهینه بسیار حائز اهمیت باشد. از این نظر، به عنوان مثال باتری ها را می توان به عنوان ترموالکتریک توصیف کرد. به طور سنتی، اثر ترموالکتریک نتیجه تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی از طریق یک ترموکوپل است. در دستگاه‌های ترموالکتریک، اختلاف دما در هر طرف باعث ایجاد ولتاژ می‌شود و برعکس، زمانی که ولتاژ به یک دستگاه ترموالکتریک اعمال می‌شود، گرما بین طرفین منتقل می‌شود و اختلاف دما ایجاد می‌کند. در سطح اتمی، یک گرادیان دما باعث می‌شود که حامل‌های بار در مواد از گرم به سرد پراکنده شوند و از این روش می‌توان برای اندازه‌گیری دما، تولید الکتریسیته و غیره استفاده کرد. بر کسی پوشیده نیست که پدیده های انتقال برای انواع مختلف تحقیقات علمی و همچنین برای فیزیک اهمیت زیادی دارند. در این نوع سامانه غیرتعادلی، انرژی و ذرات بین سامانه و محیط اطراف مبادله می شود تا تعادل برقرار شود. این تعادل برای سامانه های کلاسیک به خوبی درک شده است که معمولا به پایداری گرمایی منجر می شود. در این کار، ما مدلی جدید را برای انتقال کوانتومی شارژ و حرارت در حوزه باتری های کوانتومی ارائه می‌ دهیم و فرآیند شارژ یک باتری کوانتومی را از طریق یک مجموعه انتقال یا مدل ناخالصی، متشکل از یک سامانه کوانتومی مزوسکوپیک در تماس با یک جفت مخزن الکترونی بررسی می‌کنیم. بر این اساس و بر خلاف پروتکل هایی که به مدل های باتری کوانتومی که به طور ذاتی بسته شده اند می پردازند، در این رویکرد فرض نمی شود که انرژی منتقل شده به باتری کوانتومی ابتدا بر روی شارژر قرار گیرد. در عوض، به دلیل وجود محیط، به صورت پویا از طریق حرارت دهی و تبادل ذرات پر انرژی (برای مثال الکترون) به سامانه تزریق می شود. در این رویکرد، برای پیاده سازی های مختلف باتری کوانتومی، ما به طور صریح کل انرژی منتقل شده به باتری را محاسبه می کنیم و کسری از آن را که از نظر استخراج مفید است به صورت کار یا اگزرژی کوانتومی درنظر می گیریم. در رژیم کلاسیک، وجود یک جریان الکتریکی تا حد زیادی پذیرفته شده است. در رژیم غیر کلاسیک، سوال این است که آیا ممکن است جریان ذرات طبیعی (مثلا الکترون ها) از معادلات مکانیک کوانتومی حرکت بوجود آید؟ این کار بعلاوه این واقعیت را اثبات می کند که جریان انرژی حاصل از طریق باتری کوانتومی به اختلاف پتانسیل الکتریکی (یعنی سوگیری ولتاژ) بین مخازن بستگی دارد. وضعیتی که می توانیم ضریب مقاومت باتری های کوانتومی را ارزیابی کنیم. بنابراین، مدل ما کاملا کلی است و محاسبه نتایج واضح و آسانی را ارائه می دهد و با شبیه سازی های عددی دقیق تأیید می شود.