твердотельный аккумулятор

Выключатель щёлкает — свет загорается. Но представьте выключатель, который при одном и том же нажатии может и включить лампу, и оставить комнату тёмной. Он ещё и помнит, что делал в прошлый раз, а иногда словно подбрасывает монетку, решая, зажечь ли свет. Такое поведение обнаружили в кристалле чёрного фосфора — полупроводнике толщиной в несколько атомных слоёв.

В каждом аккумуляторе или суперконденсаторе есть незаметный, но важный игрок — полимерный клей. Он скрепляет частицы активного вещества и помогает им держаться на токосъёмнике. Раньше его считали просто инертной массой: есть и есть, лишь бы не мешал. Но в этой работе клей вышел на первый план. Стадион, где зрители-ионы должны занять места на трибунах-электродах.

Отработавшие свой срок аккумуляторы электромобилей ведут себя подобно капризным музыкантам: одна ячейка отдаёт ток «громче», другая — «тише», третья неожиданно «расстраивается» из-за повышенного саморазряда. Если собрать из них батарею наобум, получится какофония: одни ячейки перегружаются, другие простаивают, и система быстро выходит из строя.

Твердый электролит — не просто кристаллическая решётка, а настоящий оживленный мегаполис для ионов. Каждый акт проводимости напоминает поездку через город: есть широкие магистрали с низким энергетическим барьером, глухие пробки в узких местах и коварные объезды, где ион может застрять.

Повар выливает горячий сахарный сироп на холодный стол, и тот застывает кристаллами. Примерно так инженеры представляли затвердевание металла: жидкость сразу становится россыпью кристаллических зёрен. Но съёмка крупным планом показала, что между жидким и твёрдым вклинивается ещё один этап.

В речном потоке вода нередко закручивается в воронки. Но аналогичное поведение демонстрируют и носители заряда в полупроводниках — основе современных микрочипов. При низких температурах и в образцах исключительной чистоты электроны переходят в особое состояние, напоминающее жидкость.

Обычная батарея в телефоне дышит — но не воздухом, а контактом. Внутри твёрдого тела, где нет жидкостей, литий при зарядке прижимается к электролиту (веществу, проводящему ионы), а при разрядке отходит, словно лёгкое на вдохе и выдохе. Это «дыхание» — не поэзия, а физика: каждый цикл рождает и убивает точки касания, через которые идёт ток.

Медная проволока под током — привычная картина, но внутри неё происходит нечто неожиданное. Сильный электрический ток не просто нагревает металл: он выбивает атомы с их законных мест, оставляя после себя крошечные пустоты — как будто из плотной упаковки шариков внезапно вынули несколько штук. Эти пустоты живут только пока течёт ток, а после выключения исчезают за считанные минуты.

Литиевая батарея похожа на бутерброд: два куска хлеба — электроды, а между ними начинка — электролит, через который ионы лития бегают туда-сюда. В обычных батареях начинка жидкая, как соус, и может протечь или загореться. В твёрдотельных батареях начинка — как ломтик сыра: он не течёт, но важно, чтобы он не крошился и не вступал в реакцию с хлебом.

Вода, расщеплённая электричеством на водород и кислород, — давняя мечта о чистом топливе. Но на пути встают крошечные пузырьки газа: они облепляют электроды, как пена на стенках стакана с газировкой, и мешают току делать свою работу. Каждый такой пузырёк — это крошечная пробка, блокирующая часть поверхности, где должна идти реакция.

Металлическая нить толщиной с волос прорастает сквозь керамику, как корень сквозь асфальт. В твердотельных батареях такие нити называют дендритами, и они появляются, когда ток при зарядке превышает критический порог. Керамический электролит — твёрдый, но хрупкий, как стекло.

Водород — чемпион по энергии на килограмм, но хранить его — морока. В виде газа он занимает огромный объём, а если сжать или охладить до жидкости, нужны тяжёлые баллоны и много энергии. Есть третий путь: некоторые твёрдые материалы впитывают водород, как губка впитывает воду, и держат его внутри себя. Нагрел — водород вышел, остудил — впитался обратно.

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.

В классической батарейке электролит жидкий, и заряженные частицы — ионы — движутся в нём свободно, почти как пловцы в открытом бассейне. В твердотельной версии электролит заменён на твёрдый материал, и ионам приходится протискиваться сквозь атомные «коридоры», словно пешеходам в узких переходах в час пик.

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

Светящаяся точка в вакуумной камере не гаснет, хотя её уже давно перестали подсвечивать. Одиночный ион иттербия, пойманный электрическими полями, застрял в возбуждённом состоянии — как будто электрон внутри него забыл, как вернуться на своё обычное место. Обычно такие состояния живут миллисекунды, а тут счёт идёт на секунды.

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.

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество без потерь, но обычно их свойства фиксированы. В новой работе учёные сделали устройство, похожее на перекрёсток двух сверхпроводящих дорожек. Подавая слабое магнитное поле перпендикулярно этому перекрёстку, они смогли изменить силу тока, который устройство может пропустить, в четыре раза.

В литий-серной батарее сера норовит раствориться и уплыть к другому электроду — батарея теряет заряд за десятки циклов. Чтобы удержать беглянку, между электродами ставят плёнку-разделитель. Обычная полиэтиленовая плёнка пропускает ионы лития, но вместе с ними проскакивают и серные молекулы.

Скоростное шоссе, по которому машины мчатся, почти не замедляясь, — так выглядит слой сверхчистого полупроводника, где электроны пролетают огромные расстояния без единого столкновения. Учёные построили транзистор, в котором электроны бегут вдвое быстрее, чем в любом подобном приборе до сих пор.

Два маятника, подвешенные на одной перекладине, постепенно начинают качаться в такт. Но если чуть тронуть один из них, общий ритм меняется — и по этому изменению можно уловить даже самое лёгкое прикосновение. Примерно так работают датчики на основе связанных колебательных систем. В новой работе исследователи рассмотрели два связанных контура — как два маятника, соединённых пружинкой.

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.

Обычная компьютерная память всё время тратит энергию, чтобы не забыть записанное. Сверхпроводник мог бы хранить данные без потерь, но его трудно заставить переключаться. В новой работе сверхпроводник зажат между двумя магнитными изоляторами. Магнитные слои действуют как два магнита: если их полюса смотрят в одну сторону, сверхпроводимость включена; если в разные — выключена.

Обычные атомные часы — это, по сути, оптический счётчик: они используют спектроскопию — метод, позволяющий с высокой точностью измерять частоту излучения при переходах электронов между энергетическими уровнями.

Лазер на кристалле ниобата лития оживает от тока в 40 миллиампер. Его свет делится на два ручейка, каждый проходит через шестимиллиметровый волновод, и там рождаются пары фотонов-близнецов. Один ручеёк поворачивает поляризацию своих близнецов, после чего оба потока сливаются в общее русло. На выходе — квантовая фабрика на ладони: 45 миллиардов запутанных пар в секунду при мощности всего 18.