一个由麻省理工学院领导的研究小组已经解决了潜在电池电极材料的行为之谜;加州大学洛杉矶分校开发的磁性拓扑绝缘体在开关方面的能源效率提高了1000倍。
可视化复杂的电子状态
麻省理工学院(MIT)领导的一个研究小组首次详细展示了一种名为二氧化钠的材料在充电和放电过程中的行为，精确到单个原子的水平。这种材料有望用于可充电电池的电极奇异分子态这可能有助于理解超导性。
研究小组研究了一种被称为协同扬-特勒效应的现象，这是一个历史上众所周知的基本物理学现象，描述了某些化合物中原子的位置如何轻微扭曲，从而改变材料的电和磁特性。
研究人员指出，它与许多有趣的现象有关，因此更好地理解它可能有助于提高我们的物理知识，以及从改进电池到新型电子产品的潜在应用。
他们还说，尽管Jahn-Teller现象是众所周知的，但在电池化合物中看到它有点不寻常，比如目前正在研究的二氧化钠，它可能是锂离子电池中锂基电极的低成本替代品。
这种充电电池的工作原理是在充电过程中电流将离子从电极中抽出，然后在电池使用时将离子返回电极。材料内部原子的排列是非常有序的，通常这种排列是由相当标准的物理学所驱动的。但在这个材料中，顺序完全由扬-特勒效应驱动。
了解这种差异如何影响充电和放电，对于指导世界各地的团队寻求提高这种电池的性能很重要，这对麻省理工学院的团队来说是一个艰巨的挑战。
这被认为是确定二氧化锰钠固有容量限制的基础工作——比如它能容纳多少电荷，或者它能经历多少次充放电循环而不退化——以便找出如何制造更高容量的钠离子电池电极。
除了可能的电池应用，这项工作还发现，二氧化钠可能对自旋电子学的新兴领域很重要，在自旋电子学中，电子的自旋状态，而不是电荷，携带和存储信息。
电极化合物的内部分子结构揭示了研究人员所说的“上层结构”。右边是材料的扫描透射电子显微镜图像，左边是基于电学性质的彩色编码图像:每个绿点代表锰+ 4离子的条纹;紫色点代表锰+ 3离子;和混合颜色的圆点(绿色内紫色)，这是两种离子的条纹。条纹的顺序显示了合作的扬-特勒失真。(来源:麻省理工学院)
即使在这项新研究之前，由这种钠离子组成的电池显示出与当今生产中领先技术之一的商业锂离子电池相当的容量。虽然目前还没有公司生产钠离子电池，但这项技术潜力巨大:与锂相比，钠更丰富、更便宜、更安全，麻省理工学院的研究人员总结道。
磁化层
在一项可能会导致更节能的大数据处理系统和超低功耗电子产品开发的进步中，加州大学洛杉矶分校亨利·塞缪尔利工程与应用科学学院的一个研究团队开发了一种新的类拓扑绝缘体-一种既能充当绝缘体又能充当导体的新兴材料，其中两层中的一层是磁化的。
该团队首次展示了新的拓扑绝缘体可以通过电“切换”，使其比当前的设备明显更节能。
研究人员解释说，拓扑绝缘体的内部阻止了电流的流动，但它们的表面允许电流以很小的电阻移动。也许最重要的是，它们的表面能够传输自旋极化电子，同时防止电子的“散射”，导致能量耗散和浪费。
加州大学洛杉矶分校创造的拓扑绝缘体包括两层，其中一层含有铬，一种磁性元素。驱动自旋极化电子的电流可以改变磁性铬原子的上下极性。这种交换使设备能够写入内存或执行计算。
加州大学洛杉矶分校工程研究人员开发的两层拓扑绝缘体结构。(来源:加州大学洛杉矶分校)
最重要的是，这种新的两层结构转换极性所需的能量比同类存储结构少1000倍。
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