研究人员已经展示了如何将锂离子来回穿梭到量子材料的晶体结构中，代表了研究和电池潜在应用的新途径，“智能窗”和含有人工突触的脑启发式计算机。
该研究的核心是一种称为钐镍酸盐的材料，这是一种量子材料，意味着它的性能可以用于量子力学相互作用。钐镍是一类称为强相关电子系统的量子材料，具有奇异的电子和磁性。
研究人员用锂离子“掺杂”了这种材料，这意味着离子被添加到材料的晶体结构中。
锂离子的添加导致晶体膨胀并增加材料对离子的传导。研究人员还了解到，这种效应可与其他类型的离子，特别是钠离子一起使用，从而指出能量储存中的潜在应用。
本周在美国国家科学院院刊上发表的一篇论文详细介绍了研究结果。
“结果突出了量子材料和新兴物理在离子导体设计中的潜力，”普渡大学材料工程教授Shriram Ramanathan说道，他正在领导这项研究。“目前正在进行大量的研究，以确定用于建筑电池的固态离子导体。我们发现这种一般材料系列可以容纳这些离子，因此我们建立了一些设计这些离子的一般原则。固态离子导体。我们发现像锂和钠这样的离子可以穿过这种固体材料，这为研究开辟了新的方向。“
施加电压导致离子占据材料晶格中原子之间的空间。该效果可以代表更有效的存储和导电方法。这种效应可能导致“神经形态”或脑启发计算机中的新型电池和人工突触。此外，在电流关闭后离子保持在原位，这可能是计算机存储器中的“非易失性”行为。
向晶体结构中添加锂离子也会改变材料的光学性质，这表明作为“智能窗”的涂层的潜在应用，其在施加电压时其透光性能会改变。
该研究论文的主要作者是普渡大学材料工程博士后研究助理孙逸飞和罗格斯大学物理与天文系博士后研究员Michele Kotiuga。这项工作由几个研究机构的研究人员完成。摘要中提供了完整的共同作者列表。为了开发兴奋剂工艺，材料工程师与Purdue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合作。
研究结果证明了与“莫特过渡”有关的行为，这是一种量子力学效应，描述了电子的加入如何改变材料的导电行为。
“随着我们向系统添加更多电子，材料的导电性越来越低，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，”Ramanathan说。
Kotiuga对这项工作的贡献是研究掺杂锂的钐镍的电子特性以及掺杂后晶体结构的变化。
“我的计算表明，未掺杂的钐镍酸盐是一种窄间隙半导体，这意味着即使它不是金属，电子也可以被激发成导电状态而不会有太多麻烦，”她说。“由于锂被添加到镍酸钐中，锂离子将与氧结合，电子定位在附近的镍 - 氧八面体上，当电子定位在每个镍 - 氧八面体上时，材料转化为绝缘体。这是一个相反的违反直觉的结果：系统中增加的电子使材料更加绝缘。“
使用阿贡国家实验室的同步辐射光源研究设施对该材料的晶体结构进行了表征。
研究人员已经在该论文上工作了大约两年，并计划进一步探索材料的量子行为和在脑启发计算中的潜在应用。
该研究得到了多个来源的资助或支持，包括美国国家科学基金会，美国能源部，加拿大光源，美国陆军研究办公室，美国空军科学研究办公室和美国海军研究办公室。
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