作为电荷载体，电子和离子在电化学能量存储装置和转换器(例如电池和燃料电池)中起主导作用。质子传导率对后者至关重要; 质子，即带正电的氢离子，由氢形成，氢用于为燃料电池供电。Empa物理学家Artur Braun和苏黎世ETH博士生Qianli Chen在Paul Scherrer研究所(PSI)对瑞士散裂中子源(SINQ)进行了中子散射实验，该实验记录了质子在晶格中的迁移率。在这个过程中，他们观察到陶瓷燃料电池中的质子运动遵循比以前假设的更为复杂的定律：质子的运动根据所谓的极化子模型进行，正如研究人员最近在期刊中报道的那样。自然通讯。
极化子模型
长期以来，俄罗斯物理学家和最终的诺贝尔奖获得者Lev Davidovich Landau于1933年开发的极化子理论仅适用于电子。该模型描述了电子如何“蠕动”通过电介质晶体并迫使“干扰”原子离开位置，从而减慢电子的速度。换句话说，极化子是晶体中的运动波，其扩散可以被描述为粒子的轨迹。它们可以被偏转和反射。
电子极化子一直是理论物理学的支柱，也是专家圈应用模型计算的无可争议的基础。相比之下，氢极化子 - 即从一个位置“跳跃”到另一个位置的氢离子 - 的存在直到现在才是推测理论。尽管生物学家使用跳跃氢原子的模型来解释某些代谢过程，但固态物理学家并未将氢极化子视为有效的解释模型。
现在可以改变：基于使用钇掺杂的钡铈氧化物和氧化钡锆晶体的实验，Braun和Chen设法证明了质子极化子的存在。在干燥状态下，这些晶体是不导电的。然而，如果它们暴露在蒸汽气氛中，则在晶体结构内部形成OH基团。然后，释放的质子可以以波状方式移动，并且氧化物变得离子导电。热和高压提供证据
Braun和Chen通过在不同的高压条件和高达600摄氏度的温度下研究晶体，发现了氢离子波的证据。Empa在科学界的良好连通性至关重要：样品在PSI的中子源上进行了X射线照射，并且与法兰克福歌德大学地球科学/地理学院的研究人员一起进行了晶体高压实验。
结果：在220和520度之间的温度下，电导率增加到与晶体晶格振动的模型计算中预测的完全相同的程度。因此，质子最初结合在晶格中，并且在加热时在晶格振动的同时开始从一个OH基团跳过晶体到另一个OH基团。如果使用特殊的压实机将晶体暴露在高压下，则质子跳跃的空间较小，导电率再次下降。这证明极化子模型适用于电子和质子。“谁知道，也许这个理论也适用于锂等其他离子，”Braun推测道。
Empa研究人员的研究结果很快就会产生关于燃料电池和储氢系统材料选择的重要信息 - 从而影响未来的能源供应。然而，现在陶瓷绝缘子的行为也可以更有效地进行测量：在潮湿的外部空气中，它们是否仍能在高温下隔离良好?或者是否会产生可归因于极化子传导的电流泄漏?由于Braun和Chen的项目由瑞士国家科学基金会(SNSF)资助，因此可以解决某些材料科学问题。