ион лития

Вода и металл — союз, который человечество использует уже двести лет, но до сих пор не научилось контролировать до конца. В обычной батарейке цинковый электрод понемногу разрушается: при зарядке металл оседает на нём неровными наростами, похожими на ветвистые кристаллы инея. Один такой нарост, дотянувшись до второго электрода, замыкает цепь, и батарея умирает.

Атом гелия — как туго натянутая струна: каждая нота, которую он издаёт, строго предсказана квантовой теорией. Но в последние годы точные измерения одной из таких «нот» — энергии ионизации возбуждённого атома гелия, то есть энергии, необходимой, чтобы вырвать электрон из возбуждённого состояния, — стали звучать чуть выше, чем положено.

Нейрон, передающий сигнал, подобен миниатюрному аккумулятору, который стремительно разряжается и вновь заряжается. На протяжении почти семи десятилетий считалось, что фазу перезарядки обеспечивает особый «калиевый клапан» — ионный канал, открывающийся с задержкой. Новая работа утверждает: этот ток — призрак, артефакт интерпретации.

Любая батарейка — от пальчиковой до квантовой — устроена просто: есть запас энергии, и есть способ её достать. В квантовом мире этот «способ» выглядит как аккуратное переключение между состояниями частицы, похожее на перекладывание шарика с высокой полки на низкую.

Пьезоэлектрические кристаллы, закреплённые снаружи и внутри металлической стенки, образуют невидимый энергетический канал. Внешний кристалл, получив переменный электрический ток, начинает вибрировать — его механические колебания, словно рябь на воде, разбегаются по металлу во все стороны.

Представьте два маятника, подвешенных на общей нити: толкните один — и второй начнёт раскачиваться, а спустя мгновение первый получит ответный толчок. В атоме тория-229 происходит нечто подобное: энергия почти без потерь перетекает между электронной оболочкой и ядром.

В абсолютной тишине нужно услышать, как падает пушинка. Но кто-то постоянно шуршит пакетом. Для космической обсерватории LISA таким «шуршанием» станут заряженные частицы из космоса. LISA — это три спутника, которые лазерными лучами измеряют расстояние между свободно парящими внутри них золото-платиновыми кубиками.

Ионный проводник напоминает переполненный автобус, где пассажиры (ионы) пытаются протиснуться к выходу. Раньше считалось, что быстро выйти можно либо если автобус мягко покачивается (мягкая решётка), либо если пассажиры стоят в хаотичном порядке (геометрический беспорядок). Новая работа показывает: это не два разных трюка, а один и тот же.

Литиевая батарейка похожа на крошечный город: ионы лития — жители, которые переезжают между районами-электродами, создавая ток. Но чтобы понять, сколько энергии город может отдать, нужно знать не только планировку улиц (структуру материала), но и как жители взаимодействуют с соседями, транспортом и даже погодой.

В алмазных квантовых устройствах есть крошечный дефект — азотно-вакансионный центр (атом азота плюс пустота вместо атома углерода). Он работает как переключатель, который самопроизвольно щёлкает туда-сюда: может нести лишний электрон или не нести, и от этого зависит, светится он или нет. Но стоит рядом оказаться примеси азота — и переключатель начинает жить своей жизнью.

Квантовые батареи эксплуатируют квантовые эффекты, чтобы преодолевать ограничения классических устройств, связанные с энтропией — мерой беспорядка и неизбежных потерь энергии. Представьте ведро под мощной струёй: наполнение идёт стремительно. Но ведро дырявое: окружающая среда постоянно высасывает энергию.

Обычные батареи теряют заряд подобно тому, как остывает чай. Квантовая батарея устроена иначе: её сердце — крошечная оптическая полость, в которой мечутся фотоны.

Квантовая батарея — не ящик с химией, а цепочка крошечных магнитиков (спинов), способная запасать энергию. Её главная хитрость: заряжать сразу много частиц одновременно, используя их квантовую запутанность. Но есть подвох — не всякая запутанность подходит.

В кристалле из воды и едкого цезия атомы кислорода и цезия сидят на своих местах, как бусины в жёсткой сетке. Атомы водорода ведут себя иначе — они словно пассажиры, которые постоянно пересаживаются с места на место. В этом слоистом веществе каждый кислород связан с тремя соседями водородными мостиками, образуя подобие пчелиных сот.

Литий-ионная батарея похожа на многоэтажный дом, где на каждом этаже живут ионы лития. Когда батарею заряжают, ионы переезжают с этажа на этаж, и весь дом немного нагревается. Обычно это тепло уходит равномерно, как от тёплого пола. Но иногда в одном месте становится слишком жарко — и тогда весь дом может вспыхнуть.

Пылинка висит в воздухе, удерживаемая невидимым лучом света. Вокруг неё — обычный воздух, но иногда по пылинке проскакивает крошечная искра. Учёные впервые рассмотрели такие разряды вблизи и выяснили, что их запускает не сама пылинка, а невидимые гости из космоса и из земли. Лазерный пинцет (луч, который может держать микроскопические предметы) удерживал пылинку размером с бактерию.

Мемристор — это резистор с памятью: после выключения тока он сохраняет своё сопротивление. Внутри него тонкая плёнка оксида металла зажата между двумя металлическими электродами. Когда через устройство впервые пропускают сильный ток, в оксиде образуются проводящие нити из кислородных пустот, и сопротивление резко падает.

Обычный транзистор в телефоне создают в вакуумной камере, где атомы осаждаются слой за слоем. Дорого и долго. Но оксид индия можно напечатать как чернила — из капли жидкого металла, которая на воздухе сама покрывается тонкой оксидной плёнкой. Авторы взяли индий, расплавили его и прокатали по подложке при 250 градусах.

В первые минуты Большого взрыва Вселенная приготовила первичный нуклеосинтез — коктейль из лёгких элементов: водорода, гелия и щепотки лития.

В кристалле титаната бария есть встроенное электрическое поле — как у постоянного магнита, только для зарядов. Когда туда попадает вспышка света, она выбивает электроны, и те начинают метаться, сталкиваясь с атомами. Но кристалл не одинаков во всех направлениях: у него есть ось, вдоль которой поле самое сильное.

Твёрдый электролит — как губка для ионов лития. В обычной литиевой батарее ионы плавают в жидкости, как рыбы в аквариуме. В твердотельной батарее им приходится протискиваться сквозь кристаллическую решётку, как сквозь узкие коридоры. Чем больше свободных мест в решётке, тем быстрее ионы добираются от одного электрода к другому.

Литиевая батарея похожа на дом с кладовкой: при зарядке литий заходит внутрь, при разрядке выходит. Но если кладовка захламляется, часть лития остаётся внутри навсегда. От того, из какого металла сделаны стенки кладовки, зависит, сколько лития вернётся. Авторы работы взяли четыре металла: алюминий, магний, серебро и медь. Каждый впитывает литий по-своему.

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен играть свою ноту без фальши. Но у сверхпроводящих кубитов есть общая беда: на их электродах копятся случайные заряды, и «нота» уплывает. Инженеры называют это дрейфом зарядового смещения — и обычно борются с ним годами.

Лазер бьёт по атому стронция, и из него разом вылетают два электрона. Раньше считалось, что при такой двойной ионизации каждый электрон действует сам по себе: один выбит первым, второй — позже, случайно. Новый эксперимент с холодными атомами показал обратное: электроны покидают атом согласованно, как пара танцоров, держащихся за руки.

Представьте два смартфона с идентичными аккумуляторами. Один заряжается в подвале, где сигнал сети едва теплится, — и процесс идёт медленнее. Процент заряда здесь выступает стрелкой часов: по нему мы судим о течении времени. Эту наглядную логику физики перенесли в квантовый мир. Их часы — микроскопическая батарея, накапливающая энергию.

Внутри каждой микроскопической частицы, образующей катод натрий-ионного аккумулятора, натрий распределён неравномерно: словно сахар в чае, сбившийся в комки, его концентрация варьируется от участка к участку. Эта неоднородность — мера беспорядка в распределении ионов — напрямую снижает ёмкость и срок службы батареи.

Тонкая плёнка полупроводника толщиной в один атом напоминает коммунальную квартиру: в ней живут отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные «дырки».

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен вступать точно в такт. Малейший шорох в зале сбивает скрипача, и мелодия рассыпается. В кремниевых чипах роль таких шорохов играет электрический шум: случайные колебания заряда внутри материала. Они заставляют квантовые биты ошибаться. Инженеры решили выяснить, как устройство самого чипа связано с этим шумом.

Современные аккумуляторы с жидким электролитом могут протечь или загореться. Полимерные электролиты — твёрдые, как пластик, — решают эту проблему, но ионы в них движутся медленнее, и батарея теряет мощность. Исследователи создали виртуальный конвейер: компьютерная программа генерировала новые структуры полимеров, как повар пробует новые рецепты теста.

Свет в полупроводниках рождается из пар зарядов — электрона и дырки, которые притягиваются друг к другу, как магнит к холодильнику. Такая пара называется экситоном. Если к паре добавить ещё один заряд, получится трион — «тройка» из трёх частиц.

Литий в батарее иногда ведёт себя как плющ на фасаде: вместо ровного слоя выпускает тонкие острые отростки. Эти иглы могут проткнуть разделитель внутри аккумулятора и вызвать короткое замыкание. Поэтому инженеры ищут способы заставить литий расти спокойно. Один из найденных приёмов — подложить под литий тонкую серебряную плёнку.

В химии есть два мира: в одном катализатор — твёрдая частица, на которой реакция идёт на поверхности; в другом — растворённая молекула, где всё происходит вокруг одного металлического центра. Эти миры редко встречаются. Но в новой работе они сошлись.

Алмаз — не просто украшение. Этот кристалл может проводить электричество, когда в нём появляются свободные носители заряда: электроны и дырки. Но как быстро они движутся? В научных статьях числа разнятся в десятки раз. Одна лаборатория сообщает скорость 1000 см²/(В·с), другая — 4000.

Лист графена опускают в раствор сульфата натрия — обычной соли, похожей на поваренную. У самой поверхности вода перестаёт быть однородной: она выстраивается слоями, как стопка блинов. Между этими слоями и внутри них распределяются ионы — заряженные частицы, на которые распалась соль.

Кусочек хрома на воздухе за минуту покрывается невидимой бронёй — оксидной плёнкой. Она защищает металл от ржавчины, но для батареи это беда: плёнка не пропускает ионы хрома, и ток не идёт. Учёные смешали пять металлов — хром, висмут, медь, олово и никель. Получился сплав, в котором при окислении образуется не сплошная броня, а мозаика из разных оксидов.

Пучок тяжёлых ионов в ускорителе похож на толпу людей, которые расталкивают друг друга локтями: чем больше народу, тем шире толпа. Заряженные частицы отталкиваются, и при токе выше нескольких микроампер пучок расползается, теряет форму. Для лёгких частиц это терпимо, но для тяжёлых, например ионов золота, проблема стоит остро: они летят медленно, и расталкивание успевает испортить пучок.

Квантовые батареи, как и любые системы, подвержены действию энтропии — фундаментального стремления к беспорядку, которое проявляется в потерях энергии. Представьте параллельные провода, наводящие друг на друга паразитные сигналы: аналогично контакты батареи с окружением создают нежелательные каналы утечки.