普渡大学：一种新型量子材料有望成为研究新技术的“离子导体”

这张图片展示的是一项新的研究，在这个研究中，锂离子被插入到镍酸钐的量子物质晶体结构中，这为研究和开发电池的潜在应用提供了新的途径，例如：“智能窗户”和含有人工神经突触激发的计算机。来源：普渡大学

研究人员已经展示了锂离子如何在量子物质的晶体结构中来回穿梭的过程，这代表了一种新的研究途径和电池的潜在应用，例如：“智能窗户”和含有人工神经突触的大脑激发的计算机。

这项研究的核心是一种叫做镍酸钐的物质，它是一种量子物质，这意味着它的性能与量子力学的相互作用有关。镍酸钐是一种拥有强相关电子系统的量子物质，具有奇异的电子和磁性性质。

研究人员将锂离子“掺杂”到此材料中，这意味着锂离子被添加到量子材料的晶体结构中。

锂离子的加入会使晶体膨胀并增加离子的传导。研究人员还了解到，这种效应还适用于其他类型的离子，尤其是钠离子，并表明了其在能量储存中的潜在应用。

本周发表在National Academy of Sciences的一篇论文中详细阐述了这一发现。

“研究结果突出了量子材料和新兴物理学在离子导体设计中的潜力，”普渡大学材料工程学教授、领导这项研究的Shriram Ramanathan说。“例如，现在有很多团队正在研究固态离子导体来制造电池。我们证明了一般的材料可以容纳这些离子，所以我们为这些固态离子导体的设计建立了一些普遍的原则。我们证明了像锂和钠这样的离子可以穿过固体物质，这为研究开辟了新的方向。”

施加一个电压使离子在物质的晶格中占据原子之间的空隙。这种效果可以代表一种更高效的储存和导电的方法。这样的效果可能会创造新型电池并应用于人工突出的“神经形态”或“大脑激发态”的计算机中。此外，在关闭电流后，这些离子仍然保持原位，这是一种“非挥发性”的行为，可以用于计算机记忆。

在晶体结构中加入锂离子也会改变材料的光学性质，这暗示着它在“智能窗户”涂层中的潜在应用，当施加电压时，它的光传输属性将会被改变。

该论文的主要作者是来自普渡大学材料工程博士后研究员Yifei Sun和罗格斯大学物理与天文系的博士后研究员Michele Kotiuga。这项工作是由几家研究机构的研究员共同完成的。一个完整的合作者列表可以在摘要中找到。为研究掺杂过程，材料工程师与普渡大学化学工程和材料工程副教授Vilas Pol以及普渡大学研究生Dawgen Lim共同合作研究。

研究结果发现了与“莫特转变”有关的行为，这是一种量子力学效应，描述了如何通过电子的增加来改变材料的传导行为。

Ramanathan说：“当我们向系统中加入更多的电子时，材料的传导性就会变得越来越小，这使得它成为一个非常有趣的研究系统，而这种效应只能通过量子力学来解释。”

Kotiuga对这项工作的贡献在于研究了锂掺杂的钐镍酸盐的电子特性，以及在掺杂后对晶体结构的改变。

她说：“我的计算结果显示，无掺杂的镍酸钐是一种窄带隙的半导体，这意味着即使不是金属，电子也可以很容易进入的一个传导状态。当锂加入到镍酸钐中时，锂离子会与一个氧原子结合，而一个电子会在附近的镍氧八面体上锁定，当一个电子在每个镍氧八面体上固定时，材料就会转化成绝缘体。这是一个相当违反直觉的结果：系统中增加的电子使材料更加绝缘。”

该材料的晶体结构的表征使用的是阿贡国家实验室的同步辐射光源研究设备。研究人员已经研究了大约两年，并计划进一步探索这种材料的量子行为及其在大脑激发态计算机中的潜在应用。