Физики MIT впервые наблюдали сложное электронное состояние

Группа ученых Массачусетского технологического института (MIT) осуществила первую детальную — до уровня индивидуальных атомов — визуализацию процессов, протекающих при зарядке и разрядке в диоксиде натрия марганца. Этот материал расматривается сегодня как высокоперспективная недорогая альтернатива литию для использования в электродах аккумуляторных батарей.

Попутно, они прояснили особенности экзотического молекулярного состояния, что может помочь углубить понимание природы сверхпроводимости. Результаты их работы представлены в вышедшем на этой неделе номере журнала Nature Materials.

Явление, о котором идет речь, это давно и хорошо известный физикам кооперативный эффект Яна-Теллера — структурный фазовый переход с понижением симметрии, часто изменяющий электрические и магнитные свойства материала, и поэтому потенциально полезный для многих приложений, от улучшенных батарей до новых типов электронных устройств.

Несмотря на известность данного явления, отмечают авторы статьи, было несколько неожиданно встретить его в электродном материале. Расположение атомов в таких материалах обычно описывается вполне стандартными физическими законами, но в диоксиде натрия марганца, как выяснилось, порядок полностью определен эффектом Яна-Теллера.

Понять почему так происходит, и какое влияние это оказывает на зарядку-разрядку батарей, оказалось непросто. Для этого участники исследования использовали численный метод расчета распределения электронов, DFT (теория функционала плотности) и экспериментальные техники электронной, нейтронной и синхротронной рентгеновской дифракции, а также сканирующей электронной микроскопии с коррекцией искажений для непосредственной визуализации.

В конечном итоге было продемонстрировано, что материал образует «суперструктуру», управляемую эффектом Яна-Теллера; при очень низких температурах (от 60 °K и ниже) в нем формируется «магнитный сэндвич» из перемежающихся ферро- и антиферромагнитных атомных цепочек (этот результат важен для возможных приложений спинтроники).

Фундаментальной задачей данной работы будет выяснить естественные пределы для диоксида натрия марганца — максимальные емкость и количество циклов перезарядки без деградации свойств, а, в идеале, найти способы дальнейшего улучшения рабочих характеристик натрий-ионных батарей.