ion lithium

L'eau et le métal forment un duo que l'humanité utilise depuis deux cents ans, mais qu'elle n'a toujours pas appris à maîtriser complètement. Dans une pile ordinaire, l'électrode de zinc se dégrade peu à peu : lors de la charge, le métal se dépose en excroissances irrégulières, semblables à des cristaux de givre ramifiés.

L'atome d'hélium est comme une corde tendue : chaque note qu'il émet est strictement prédite par la théorie. Mais ces dernières années, des mesures précises de l'une de ces « notes » — l'énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome d'hélium excité — ont commencé à sonner légèrement plus haut que prévu.

Un neurone qui transmet un signal ressemble à une minuscule batterie qui se décharge et se recharge rapidement. Pendant près de 70 ans, on a cru qu'une « vanne potassique » spéciale, s'ouvrant avec un retard, était responsable de la phase de recharge. Une nouvelle étude affirme que ce courant est un fantôme.

Toute batterie, de la pile AA à la batterie quantique, fonctionne simplement : il y a une réserve d'énergie et un moyen de l'extraire. Dans le monde quantique, ce « moyen » ressemble à une bascule minutieuse entre les états d'une particule, un peu comme on déplace une bille d'une étagère haute vers une étagère basse.

Des cristaux collés à l'extérieur et à l'intérieur d'une paroi métallique agissent comme un canal invisible. L'un, recevant du courant, se met à vibrer, et ces vibrations, telles des ondulations à la surface de l'eau, se propagent dans toutes les directions à travers le métal.

Deux pendules suspendus à un fil commun échangent leur mouvement : poussez l'un, l'autre se met à osciller, et un instant plus tard, le premier reçoit une impulsion en retour. Dans l'atome de thorium-229, l'énergie circule de la même manière entre la couche électronique et le noyau, avec très peu de pertes.

Dans le silence absolu, il faut entendre tomber un duvet. Mais quelqu'un froisse sans cesse un sac en plastique. Pour l'observatoire spatiale LISA, ce « froissement » sera causé par les particules chargées venues de l'espace.

Un conducteur ionique ressemble à un bus bondé où les passagers (les ions) tentent de se frayer un chemin vers la sortie. On pensait auparavant que pour sortir rapidement, il fallait soit que le bus se balance doucement (réseau souple), soit que les passagers soient dans un désordre chaotique (désordre géométrique).

Une batterie au lithium ressemble à une petite ville : les ions lithium sont les habitants qui se déplacent entre les quartiers-électrodes, créant ainsi un courant.

Dans les dispositifs quantiques à base de diamant, il existe un minuscule défaut : le centre azote-lacune (un atome d'azote plus une lacune à la place d'un atome de carbone). Il fonctionne comme un interrupteur qui bascule spontanément d'un état à l'autre : il peut porter un électron supplémentaire ou non, et selon cela, il émet ou non de la lumière.

Les batteries quantiques exploitent les effets quantiques pour contourner les limites des dispositifs ordinaires liées à l'entropie – cette mesure du désordre et des pertes d'énergie. C'est comme un seau sous un puissant jet d'eau : le remplissage est fulgurant.

Les batteries ordinaires perdent leur charge comme un thé qui refroidit. La batterie quantique, elle, fonctionne autrement : son cœur est une minuscule cavité où s'agitent des photons.

Une batterie quantique n'est pas une boîte de chimie, mais une chaîne de minuscules aimants (spins) capable de stocker de l'énergie. Son principal atout : charger plusieurs particules à la fois en utilisant leur intrication quantique. Mais il y a un piège — toute intrication ne convient pas.

Dans un cristal d'eau et de soude caustique, les atomes d'oxygène et de césium restent en place, comme des perles dans un treillis rigide. Les atomes d'hydrogène, eux, se comportent autrement : ils sont comme des passagers qui changent constamment de siège.

Une batterie lithium-ion ressemble à un immeuble de plusieurs étages, où des ions lithium habitent à chaque étage. Lorsqu'on charge la batterie, les ions déménagent d'un étage à l'autre, et tout l'immeuble chauffe un peu. Normalement, cette chaleur se dissipe uniformément, comme un plancher chauffant.

Un grain de poussière flotte dans l'air, maintenu par un faisceau de lumière invisible. Autour de lui, l'air est ordinaire, mais parfois une minuscule étincelle traverse le grain. Pour la première fois, des scientifiques ont observé de telles décharges de près et ont découvert qu'elles ne sont pas déclenchées par le grain lui-même, mais par des visiteurs invisibles venus du cosmos et du sol.

Un memristor est une résistance à mémoire : après coupure du courant, il conserve sa résistance. À l'intérieur, une fine couche d'oxyde métallique est prise en sandwich entre deux électrodes métalliques.

Un transistor classique dans un téléphone est fabriqué dans une chambre à vide, où les atomes se déposent couche par couche. C'est cher et long. Mais l'oxyde d'indium peut s'imprimer comme de l'encre — à partir d'une goutte de métal liquide qui, à l'air libre, se recouvre spontanément d'une fine pellicule d'oxyde. Les auteurs ont pris de l'indium, l'ont fondu et l'ont étalé sur un substrat à 250 degrés.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers a préparé un cocktail d'hydrogène, d'hélium et d'une pincée de lithium.

Dans un cristal de titanate de baryum règne un champ électrique interne — comme un aimant permanent, mais pour les charges. Quand une impulsion lumineuse le frappe, elle arrache des électrons qui se mettent à s'agiter, percutant les atomes.

Un électrolyte solide, c'est comme une éponge pour les ions lithium. Dans une batterie au lithium classique, les ions nagent dans un liquide, comme des poissons dans un aquarium. Dans une batterie à électrolyte solide, ils doivent se faufiler à travers le réseau cristallin, comme dans des couloirs étroits.

Une batterie au lithium ressemble à une maison avec un débarras : pendant la charge, le lithium entre à l'intérieur, pendant la décharge, il sort. Mais si le débarras est encombré, une partie du lithium reste à l'intérieur pour toujours. La quantité de lithium qui revient dépend du métal dont sont faits les murs du débarras.

Un ordinateur quantique, c'est comme un orchestre où chaque musicien doit jouer sa note sans fausser. Mais les qubits supraconducteurs ont un problème commun : des charges aléatoires s'accumulent sur leurs électrodes, et la « note » dérive.

Le laser frappe un atome de strontium, et deux électrons s'en échappent d'un coup. On pensait auparavant que lors d'une telle double ionisation, chaque électron agissait de son côté : l'un est éjecté en premier, l'autre plus tard, au hasard.

Deux téléphones avec la même batterie : l'un se recharge dans une cave avec un signal faible — et le processus est plus lent. Le pourcentage de charge joue ici le rôle de l'aiguille d'une horloge. Les physiciens ont transposé cette logique dans le monde quantique. Leur horloge est une batterie microscopique qui accumule de l'énergie.

À l'intérieur de chaque minuscule particule qui compose la cathode d'une batterie sodium-ion, le sodium est réparti de manière inégale — un peu comme si le sucre dans le thé formait des grumeaux. Cela réduit la capacité et la durée de vie de la batterie.

Une fine pellicule de semi-conducteur d'un atome d'épaisseur ressemble à un appartement communautaire : y cohabitent des électrons chargés négativement et des « trous » chargés positivement.

Un ordinateur quantique, c'est comme un orchestre où chaque musicien doit entrer en mesure. Le moindre froissement dans la salle déconcentre le violoniste, et la mélodie s'effondre.

Les accumulateurs modernes à électrolyte liquide peuvent fuir ou prendre feu. Les électrolytes polymères, solides comme du plastique, règlent ce problème, mais les ions s'y déplacent plus lentement, et la batterie perd de la puissance.

Dans les semi-conducteurs, la lumière naît de paires de charges — un électron et un trou — qui s'attirent mutuellement, comme un aimant sur un réfrigérateur. Une telle paire s'appelle un exciton. Si l'on ajoute une charge supplémentaire à la paire, on obtient un trion — un « trio » de trois particules.

Dans une batterie, le lithium se comporte parfois comme du lierre sur une façade : au lieu de former une couche uniforme, il émet de fines excroissances pointues. Ces aiguilles peuvent percer le séparateur à l'intérieur de l'accumulateur et provoquer un court-circuit. C'est pourquoi les ingénieurs cherchent des moyens d'obliger le lithium à croître calmement.

En chimie, il existe deux mondes : dans l'un, le catalyseur est une particule solide sur laquelle la réaction se produit en surface ; dans l'autre, c'est une molécule dissoute où tout se passe autour d'un centre métallique unique. Ces mondes se rencontrent rarement. Mais dans ces nouveaux travaux, ils se sont rejoints.

Le diamant n'est pas qu'un simple bijou. Ce cristal peut conduire l'électricité lorsque des porteurs de charge libres y apparaissent : des électrons et des trous. Mais à quelle vitesse se déplacent-ils ? Dans les articles scientifiques, les chiffres varient d'un facteur dix. Un laboratoire rapporte une vitesse de 1000 cm²/(V·s), un autre de 4000.

On plonge une feuille de graphène dans une solution de sulfate de sodium – un sel ordinaire, proche du sel de table. Près de la surface, l'eau cesse d'être homogène : elle s'organise en couches, comme une pile de crêpes. Entre ces couches et à l'intérieur, se répartissent les ions – les particules chargées issues de la dissociation du sel.

Un morceau de chrome exposé à l'air se couvre en une minute d'une armure invisible : un film d'oxyde. Ce film protège le métal de la rouille, mais pour une batterie, c'est une catastrophe : le film ne laisse pas passer les ions de chrome, et le courant ne circule pas. Les scientifiques ont mélangé cinq métaux — chrome, bismuth, cuivre, étain et nickel.

Un faisceau d'ions lourds dans un accélérateur ressemble à une foule qui se pousse des coudes : plus il y a de monde, plus la foule s'élargit. Les particules chargées se repoussent, et au-delà de quelques microampères, le faisceau s'étale et perd sa forme.

Les batteries quantiques perdent de l'énergie à cause de l'entropie — cette tendance au désordre. Comme des fils posés en parallèle captent les interférences, les contacts de la batterie avec son environnement créent des canaux de fuite. La solution ?