Los investigadores han mostrado cómo transportar iones de litio de un lado a otro en la estructura cristalina de un material cuántico, lo que representa una nueva vía para la investigación y las posibles aplicaciones en baterías, "ventanas inteligentes" y computadoras inspiradas en el cerebro que contienen sinapsis artificiales.
La investigación se centra en un material llamado sakeium nickelate, que es un material cuántico, lo que significa que su rendimiento aprovecha las interacciones de la mecánica cuántica. Samarium nickelate pertenece a una clase de materiales cuánticos llamados sistemas de electrones fuertemente correlacionados, que tienen propiedades electrónicas y magnéticas exóticas.
Los investigadores "doparon" el material con iones de litio, lo que significa que los iones se agregaron a la estructura cristalina del material.
La adición de iones de litio hace que el cristal se expanda y aumenta la conducción del material de los iones. Los investigadores también aprendieron que el efecto funciona con otros tipos de iones, particularmente iones de sodio, apuntando a posibles aplicaciones en el almacenamiento de energía.
Los resultados se detallan en un documento que aparece esta semana en Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
"Los resultados resaltan el potencial de los materiales cuánticos y la física emergente en el diseño de conductores de iones", dijo Shriram Ramanathan, profesor de ingeniería de materiales de la Universidad de Purdue que lidera la investigación. "Ahora hay mucha investigación en marcha paraidentificamos conductores de iones de estado sólido para construir baterías, por ejemplo. Mostramos que esta familia general de materiales puede contener estos iones, por lo que establecimos algunos principios generales para el diseño de este tipo de conductores de iones de estado sólido.el litio y el sodio pueden moverse a través de este material sólido, y esto abre nuevas direcciones para la investigación "
La aplicación de un voltaje hizo que los iones ocuparan espacios entre los átomos en la red cristalina del material. El efecto podría representar un método más eficiente para almacenar y conducir electricidad. Tal efecto podría conducir a nuevos tipos de baterías y sinapsis artificiales en "computadoras neuromórficas "o inspiradas en el cerebro. Además, los iones permanecieron en su lugar después de que se apagó la corriente, un comportamiento" no volátil "que podría aprovecharse para la memoria de la computadora.
Agregar iones de litio a la estructura cristalina también cambia las propiedades ópticas del material, lo que sugiere posibles aplicaciones como recubrimientos para "ventanas inteligentes" cuyas propiedades de transmisión de luz se alteran cuando se aplica voltaje.
Los autores principales del trabajo de investigación son Yifei Sun, investigadora postdoctoral de ingeniería de materiales de Purdue y Michele Kotiuga, becaria postdoctoral en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Rutgers. El trabajo fue realizado por investigadores de varias instituciones de investigación. Una lista completa de co-autores está disponible en el resumen. Para desarrollar el proceso de dopaje, los ingenieros de materiales colaboraron con Vilas Pol, profesor asociado de ingeniería química e ingeniería de materiales de Purdue, y Dawgen Lim, estudiante graduado de Purdue.
Los resultados de la investigación demostraron un comportamiento relacionado con la "transición de Mott", un efecto mecánico cuántico que describe cómo la adición de electrones puede cambiar el comportamiento de conducción de un material.
"A medida que agregamos más electrones al sistema, el material se vuelve cada vez menos conductor, lo que lo convierte en un sistema muy interesante para estudiar, y este efecto solo puede explicarse a través de la mecánica cuántica", dijo Ramanathan.
La contribución de Kotiuga al trabajo fue estudiar las propiedades electrónicas del nickelato de samario dopado con litio, así como los cambios en la estructura cristalina después del dopaje.
"Mis cálculos muestran que el nickelato de samario sin dopar es un semiconductor de espacio estrecho, lo que significa que, aunque no es metálico, los electrones pueden excitarse en un estado conductor sin demasiados problemas", dijo. "A medida que el litio se agrega al samarioEl ion de litio se unirá a un oxígeno y un electrón se localiza en un octaedro de níquel-oxígeno cercano, y cuando un electrón se ha localizado en cada octaedro de níquel-oxígeno, el material se convierte en un aislante. Este es un resultado bastante intuitivo: el agregadolos electrones al sistema hacen que el material sea más aislante "
La estructura cristalina del material se caracterizó utilizando una instalación de investigación de fuente de luz de radiación sincrotrónica en el Laboratorio Nacional de Argonne.
Los investigadores habían estado trabajando en el documento durante aproximadamente dos años y planean explorar más a fondo el comportamiento cuántico del material y las posibles aplicaciones en la computación inspirada en el cerebro.
La investigación fue financiada o apoyada de otra manera por varias fuentes, incluida la National Science Foundation, el Departamento de Energía de los EE. UU., La Fuente de Luz Canadiense, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Original escrito por Emil Venere. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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