Innovativ teknik afslører, at springende atomer husker, hvor de har været

Forskere fra University of Oxford har brugt en ny teknik til at måle bevægelsen af ​​ladede partikler (ioner) på den hurtigste tidsskala nogensinde, hvilket afslører ny indsigt i grundlæggende transportprocesser. Disse omfatter den første demonstration af, at strømmen af ​​atomer eller ioner besidder en "hukommelse". Undersøgelsen, "The persistence of memory in ionic conduction probed by non-linear optics," er blevet offentliggjort i Nature .

Uanset om man oplader et batteri eller hælder vand, er stofstrømmen en af ​​de mest fundamentale processer i universet. Men en overraskende mængde er stadig ukendt om, hvordan dette sker på atomær skala. En bedre forståelse af dette kan hjælpe os med at løse en lang række problemer, herunder at udvikle de nødvendige materialer til fremtidens teknologier.

I den nye undersøgelse gjorde et team af forskere baseret på Oxfords Department of Materials og Stanford Linear Accelerator (SLAC) National Laboratory i Californien den overraskende opdagelse, at bevægelsen af ​​individuelle ioner kan påvirkes af dens seneste fortid; med andre ord er der "en hukommelseseffekt". Det betyder, at historien på mikroskopisk skala kan have betydning:Hvad en partikel gjorde for et øjeblik siden kan påvirke, hvad den gør næste gang.

Indtil nu har dette været ekstremt udfordrende at observere, fordi en sådan effekt er umærkelig ved simpel observation. For at teste, om ionbevægelse har en hukommelse, skal der indføres noget usædvanligt:​​Forstyr systemet, og se derefter, hvordan forstyrrelsen forsvinder.

Seniorforfatter Professor Saiful Islam (Department of Materials, University of Oxford) sagde:"For at bruge en visuel analogi er sådan et eksperiment som at kaste en sten i en dam for at se, hvor langt bølgerne spredes. Men for at se atomer strømme, er stenen i vores undersøgelse skal være en lysimpuls. Ved hjælp af lys har vi fanget ionernes bevægelser på den hurtigste tidsskala nogensinde, hvilket afslører sammenhængen mellem den individuelle bevægelse af atomer og makroskopisk strømning."

Forskerne brugte et batterimateriale som et modelsystem til at undersøge ionstrømmen på mikroskopisk niveau. Når et batteri oplades, flytter en påført kraft fysisk mange ioner fra den ene elektrode til den anden. Mængden af ​​tilfældige bevægelser af de individuelle ioner tilsammen lægger op til en nettobevægelse svarende til væskeflow. Hvad der var ukendt var, om denne overordnede strømning er påvirket af hukommelseseffekter, der virker på de enkelte ioner. For eksempel trækker ionerne tilbage efter at have lavet humle på størrelse med atomer, eller flyder de jævnt og tilfældigt?

For at fange dette brugte holdet en teknik kaldet pumpe-probe spektroskopi, ved at bruge hurtige, intense lysimpulser til både at udløse og måle ionernes bevægelse. Sådanne ikke-lineære optiske metoder bruges almindeligvis til at studere elektroniske fænomener i applikationer fra solceller til superledning, men det var første gang, det er blevet brugt til at måle ioniske bevægelser uden at involvere elektroner.

Hovedforfatter Dr. Andrey Poletayev (Department of Materials, University of Oxford og tidligere SLAC National Lab) sagde:"Vi fandt noget interessant, som skete kort tid efter ionbevægelserne, vi udløste direkte. Ionerne rekylerer:hvis vi skubber dem til venstre, vender de så fortrinsvis til højre bagefter.

"Dette ligner et tyktflydende stof, der rykkes hurtigt og derefter slapper af langsommere - som honning. Det betyder, at i et stykke tid, efter at vi skubbede ionerne med lys, vidste vi noget om, hvad de ville gøre næste gang."

Forskerne var kun i stand til at observere en sådan effekt i meget kort tid, nogle få billioner af et sekund, men forventer, at dette vil stige i takt med, at måleteknikkens følsomhed forbedres. Opfølgende forskning har til formål at udnytte denne nyfundne forståelse til at lave hurtigere og mere præcise forudsigelser af, hvor godt materialer kan transportere batteriladning, og udvikle nye former for computerenheder, der ville fungere hurtigere.

Ifølge forskerne vil kvantificering af denne hukommelseseffekt hjælpe med at forudsige transportegenskaberne af potentielle nye materialer til de bedre batterier, vi har brug for til væksten i elektriske køretøjer. Men resultaterne har implikationer for alle teknologier, hvor atomer flyder eller bevæger sig, hvad enten det er i faste stoffer eller i væsker, inklusive neuromorfisk databehandling, afsaltning og andre.

Dr. Poletayev tilføjede:"Udover implikationerne for materialeopdagelse, misbruger dette arbejde forestillingen om, at det, vi ser på det makroskopiske niveau - transport, der forekommer hukommelsesfrit - er direkte replikeret på atomniveau. Forskellen mellem disse skalaer, forårsaget af hukommelseseffekten, gør vores liv meget kompliceret, men vi har nu vist, at det er muligt at måle og kvantificere dette."

Flere oplysninger: Andrey D. Poletayev et al., Vedvarenheden af ​​hukommelse i ionisk ledning undersøgt af ikke-lineær optik, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06827-6

Leveret af University of Oxford