Purduen yliopiston tutkijat ovat osoittaneet, miten sukkuloida litiumioneja edestakaisin kvanttimateriaalin kiderakenteessa. Työ edustaa uutta tutkimusta ja mahdollistaa uudenlaisten sovellusten kehittämisen esimerkiksi akkuihin, älykkäisiin ikkunoihin, muistipiireihin ja aivojen innoittamiin tietokoneisiin.
Tutkimus keskittyy materiaaliin nimeltä samarium-nikkelaatti, joka kuuluu vahvasti korreloiduiksi elektronijärjestelmiksi kutsuttuun kvanttimateriaalien luokkaan. Niillä on hyvin eksoottisia elektronisia ja magneettisia ominaisuuksia.
Tutkijat "seostivat" materiaalia litiumioneilla. Niiden lisäys kiderakenteeseen aiheuttaa sen laajentumisen ja parantaa materiaalien ionien johtumista. Vaikutus toimii myös muuntyyppisillä ioneilla, erityisesti natriumioneilla, viitaten mahdollisiin energian varastoinnin sovelluksiin.
- Tulokset korostavat kvanttimateriaalien ja nousevan fysiikan potentiaalia ionijohtimien suunnittelussa. Nykyään tehdään paljon tutkimusta, joissa tunnistetaan esimerkiksi kiinteitä ionijohteita akkujen rakentamiseen, toteaa tutkimuksen vetäjä professori Shriram Ramanathan.
- Tämä materiaaliryhmä voi sisältää näitä ioneja, joten loimme joitain yleisiä periaatteita tällaisten kiinteiden ionijohtimien suunnittelulle. Osoitimme myös, että ioni, kuten litium ja natrium, voi liikkua tämän kiinteän materiaalin läpi, mikä avaa uusia suuntauksia tutkimukselle.
Jännitteen soveltaminen sai ionit pitämään hallussaan atomien välisiä tiloja materiaalin kidehilassa. Vaikutus voisi edustaa tehokkaampaa tapaa varastoida ja johtaa sähköä. Tällainen vaikutus voisi johtaa uudenlaisiin akkuihin ja keinotekoisiin synapseihin "neuromorfisissa" tai aivojen inspiroimissa tietokoneissa. Lisäksi ionit pysyivät paikallaan sen jälkeen, kun virta katkaistiin, eli tällaista "haihtumatonta" käyttäytymistä voitaisiin käyttää tietokoneen muistina.
Litiumionien lisääminen kiderakenteeseen muuttaa myös materiaalin optisia ominaisuuksia, mikä viittaa mahdollisiin sovelluksiin pinnoitteina "älykkäille ikkunoille", joiden valonsiirto-ominaisuudet muutetaan jännitteen avulla.
Tutkimustulokset osoittivat käyttäytymistä, joka liittyy "Mott-siirtymään", kvanttimekaaniseen vaikutukseen, joka kuvaa, kuinka elektronien lisääminen voi muuttaa materiaalin johtavuuskäyttäytymistä esimerkiksi metallista eristeeksi.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 6.9.2018
