במבט מקרוב, זרימת היונים בין אלקטרודות הסוללה היא למעשה סדרה של דילוגים לא יציבים בקנה מידה אטומי. ניסויים במעבדת לייזר במעבדת האצה הלאומית של SLAC הראו שכשהם מטלטלים מטלטלת מתח, רוב היונים קפצו לזמן קצר אחורה למיקומם הקודמים לפני שחידשו את מסעותיהם הבלתי סדירים הרגילים – האינדיקציה הראשונה שהם זכרו, במובן מסוים, היכן הם עברו כרגע הייתי. קרדיט: גרג סטיוארט/SLAC נשיונל. מעבדת האצה
במבט ברמה אטומית, הזרימה החלקה לכאורה של יונים דרך האלקטרוליט של הסוללה היא למעשה די מורכבת.
סוללות במצב מוצק אוגרות ומשחררות מטען על ידי דחיפה של יונים קדימה ואחורה בין שתי אלקטרודות. מנקודת המבט הרגילה שלנו, היונים זורמים דרך האלקטרוליט המוצק של הסוללה כמו זרם עדין.
אבל כאשר רואים אותה בקנה מידה אטומי, הזרימה החלקה הזו היא אשליה: יונים בודדים קופצים בצורה לא יציבה מחלל פתוח אחד למשנהו בתוך הסריג האטומי המרווח של האלקטרוליט, נדחקים לכיוון אלקטרודה על ידי מתח קבוע. את הכשות האלה קשה לחזות ואתגר להפעיל ולזהות.
כעת, במחקר ראשון מסוגו, החוקרים נתנו ליונים המקפצות טלטלה של מתח על ידי פגיעה בהם בפולס של אור לייזר. להפתעתם, רוב היונים הפכו לזמן קצר את הכיוון וחזרו למקומם הקודמים לפני שחידשו את מסעותיהם הרגילים והאקראיים יותר. זה היה האינדיקציה הראשונה לכך שהיונים זכרו, במובן מסוים, היכן הם היו זה עתה.
צוות המחקר ממעבדת המאיץ הלאומית של מחלקת האנרגיה SLAC, אוניברסיטת סטנפורד, אוניברסיטת אוקספורד ואוניברסיטת ניוקאסל תיאר את מה שהם מצאו בגיליון 24 בינואר של טֶבַע.
עמילן תירס אלקטרוני
"אתה יכול לחשוב שהיונים מתנהגים כמו תערובת של עמילן תירס ומים", אמר אנדריי ד' פולטאייב, חוקר פוסט-דוקטורט באוקספורד שעזר להוביל את הניסוי כשהיה פוסט דוקטורט ב-SLAC. "אם נדחוף בעדינות את תערובת עמילן התירס הזו, היא תניב כמו נוזל; אבל אם ננקב בו, הוא יהפוך למוצק. יונים בסוללה הם כמו עמילן תירס אלקטרוני. הם מתנגדים לטלטול חזק מטלטלה של אור לייזר על ידי תנועה לאחור.
"הזיכרון המטושטש" של היונים, כדברי פולטאייב, נמשך רק כמה מיליארדיות השנייה. אבל הידיעה שהוא קיים תעזור למדענים לחזות, לראשונה, מה יעשו הלאה – שיקול חשוב לגילוי ופיתוח חומרים חדשים.
מכשיר לייזר שנבנה על ידי המדען הראשי של SLAC Matthias C. Hoffmann עבור ניסויים שהרעידו יונים שנעו דרך אלקטרוליט של סוללה במצב מוצק עם טלטלה של מתח. להפתעת החוקרים, רוב היונים הגיבו בהיפוך מסלול ודילוג לעמדותיהם הקודמות לפני שחזרו לדרכים המשתפרות הרגילות שלהם – האינדיקציה הראשונה לכך שהם זכרו, במובן מסוים, היכן הם היו. קרדיט: אנדריי ד. פולטאייב/אוניברסיטת אוקספורד
אלקטרוליט המיועד למהירות
לניסויים שלהם במעבדת הלייזר של SLAC, החוקרים השתמשו בגבישים דקים ושקופים של אלקטרוליט מוצק ממשפחת חומרים הנקראים בטא אלומינים. חומרים אלה היו האלקטרוליטים הראשונים בעלי מוליכות גבוהה שהתגלו אי פעם. הם מכילים תעלות זעירות שבהן יונים מדלגים יכולים לנוע מהר, ויש להם יתרון שהם בטוחים יותר מאלקטרוליטים נוזליים. בטא אלומינים משמשים בסוללות במצב מוצק, בסוללות נתרן-גופרית ובתאים אלקטרוכימיים.
כשהיונים קפצו דרכם דרך תעלות הבטא-אלומינה, החוקרים פגעו בהם בפולסים של אור לייזר באורך של רק טריליון שניות, ואז מדדו את האור שחזר מהאלקטרוליט.
על ידי שינוי הזמן בין דופק הלייזר למדידה, הם הצליחו לקבוע במדויק כיצד השתנו מהירות היונים והכיוון המועדף של היונים בטריליונות השניה הספורים לאחר הטלטלה מהלייזר.
מוזר ויוצא דופן
"יש מספר דברים מוזרים ויוצאי דופן שקורים בתהליך דילוג היונים", אמרו פרופסור SLAC וסטנפורד אהרון לינדנברג, חוקר ממכון סטנפורד למדעי החומרים והאנרגיה (SIMES) שהוביל את המחקר.
"כשאנחנו מפעילים כוח שמטלטל את האלקטרוליט, היון לא מגיב מיד כמו ברוב החומרים", אמר. "היון עשוי לשבת שם זמן מה, לקפוץ פתאום, ואז לשבת שם די הרבה זמן שוב. ייתכן שתצטרך לחכות זמן מה ואז לפתע מתרחשת עקירה ענקית. אז יש אלמנט של אקראיות בתהליך הזה שמקשה על הניסויים האלה".
עד עכשיו, אמרו החוקרים, חשבו שהדרך שבה היונים נעות היא "הליכה אקראית" קלאסית: הן מתנדנדות, מתנגשות ומתנגשות, כמו אדם שיכור המתנודד במדרכה, אבל בסופו של דבר מגיעות ליעד כלשהו בדרך שבה יכול להיראות מכוון למתבונן. או תחשבו על בואש שמשחרר ספריי מסריח לחדר מלא באנשים; המולקולות בתרסיס מתנדנדות ומתנגשות באקראי, אבל מגיעות מהר מדי לאף שלך.
כשזה מגיע ליונים המדלגים, "התמונה הזו מתבררת כשגויה בקנה מידה אטומי", אמר פולטאייב, "אבל זו לא אשמתם של האנשים שהגיעו למסקנה הזו. רק שחוקרים חקרו העברה יונית עם כלים מקרוסקופיים כל כך הרבה זמן, והם לא יכלו לראות את מה שראינו במחקר הזה.
התגליות בקנה מידה אטומי שהתגלו כאן, אמר, "יעזרו לגשר על הפער בין התנועות האטומיות שאנו יכולים לדגמן במחשב לבין הביצועים המקרוסקופיים של החומר, מה שהפך את המחקר שלנו למורכב כל כך".
מתיאס סי הופמן, מדען מוביל בחטיבת מדע וטכנולוגיה לייזר של מקור האור הקוהרנטי של SLAC (LCLS), בנה את מכשיר הלייזר המשמש בניסויים אלה. המימון העיקרי למחקר הגיע ממשרד המדע של DOE.
