کشف خیره کننده دانشمندان درباره یون‌ها همه را شگفت زده کرد

باتری‌های جامد با حرکت یون‌ها بین دو الکترود، بار الکتریکی را ذخیره و آزاد می‌کنند؛ به زبان ساده‌تر، یون‌ها مانند یک جریان ملایم از طریق الکترولیت جامد باتری جریان می‌یابند، این مشاهده اما هنگامی که در مقیاس اتمی صورت می‌گیرد، نشان می‌دهد که جریان صاف یک توهم است.

بون‌های منفرد به طور نامنظم از یک فضای باز به فضای دیگر در داخل شبکه اتمی جادار الکترولیت می‌جهند و با یک ولتاژ ثابت در جهت الکترود به حرکت در می‌آیند. پیش‌بینی این پرش‌ها سخت است و شناسایی آن‌ها با چالش‌های بسیاری همراه است.

با این حال در مطالعه‌ای که به تازگی صورت گرفته‌ است، محققان با استفاده از تابیدن نور لیزر و تزریق ولتاژ به یون‌های پرش ولتاژی، متوجه شدند که اکثر یون‌ها برای مدت کوتاهی جهت خود را مع کردند و قبل از از سرگیری سفر معمولی و تصادفی خود، به موقعیت قبلی خود بازگشتند. این اولین نشانه‌ای بود از این واقعیت که یون‌ها به نوعی به یاد می‌آورند که کجا بوده‌اند.

آندری دی. پولتایف، محقق فوق دکتری در آکسفورد، گفت:‌«می‌توانید یون‌ها را مانند مخلوطی از نشاسته ذرت و آب در نظر بگیرید. اگر این مخلوط نشاسته ذرت را به آرامی فشار دهیم، به شکل مایع شبیه می‌شوند. اما اگر آن را در مشت بگیریم، به شکل جامد شباهت پیدا می‌کنند. یون‌های موجود در باتری مانند نشاسته ذرت الکترونیکی هستند. آنها با حرکت به سمت عقب در برابر لرزش شدید ناشی از نور لیزر مقاومت می‌کنند.

«حافظه فازی» یون‌ها، همانطور که پولتایف می‌گوید، تنها چند میلیاردم ثانیه دوام می‌آورد. اما دانستن وجود آن به دانشمندان کمک می‌کند تا برای اولین بار پیش‌بینی کنند که یون‌های سیار در مرحله بعدی چه کاری انجام خواهند داد.

محققان برای آزمایشات خود از کریستال‌های نازک و شفاف، یک الکترولیت جامد از خانواده‌ای از مواد به نام بتا آلومینا، استفاده کردند. این مواد اولین الکترولیت‌های با رسانایی بالا بودند که تا به حال کشف شدند. آنها حاوی کانال‌های کوچکی هستند که یون‌ها می‌توانند در آن‌ها سریع حرکت کنند و از مزیت ایمن‌تر بودن نسبت به الکترولیت‌های مایع برخوردار هستند. بتا آلومیناها در باتری‌های حالت جامد، باتری‌های سدیم سولفور و سلول‌های الکتروشیمیایی استفاده می‌شوند.

هنگامی که یون‌ها از کانال‌های بتا آلومینا عبور می‌کردند، محققان با پالس‌های نور لیزری که تنها تریلیونم ثانیه طول داشتند، یون‌ها را تحریک کردند، سپس نوری را که از الکترولیت خارج شد اندازه‌گیری کردند. با تغییر زمان بین پالس لیزر و اندازه‌گیری، آنها توانستند دقیقاً تعیین کنند که چگونه سرعت یون‌ها و جهت ترجیحی آن‌ها در چند تریلیونم ثانیه پس از برخورد نور لیزر تغییر کرده‌ است.