Forskare från University of Oxford har använt en ny teknik för att mäta rörelsen av laddade partiklar (joner) på den snabbaste tidsskala någonsin, vilket avslöjar nya insikter om grundläggande transportprocesser. Dessa inkluderar den första demonstrationen att flödet av atomer eller joner har ett "minne". Studien "The persistence of memory in jon conduction probed by nonlinar optics," har publicerats i Nature .

Oavsett om man laddar ett batteri eller häller vatten är materiaflödet en av de mest grundläggande processerna i universum. Men en överraskande mängd är fortfarande okänt om hur detta sker på atomär skala. Att förstå detta bättre kan hjälpa oss att lösa en lång rad problem, inklusive att utveckla de material som behövs för morgondagens teknik.

I den nya studien gjorde ett team av forskare baserade vid Oxfords Department of Materials och Stanford Linear Accelerator (SLAC) National Laboratory i Kalifornien den överraskande upptäckten att rörelsen av enskilda joner kan påverkas av dess senaste förflutna; med andra ord, det finns "en minneseffekt". Detta betyder att historien i mikroskopisk skala kan ha betydelse:vad en partikel gjorde för ett ögonblick sedan kan påverka vad den gör härnäst.

Hittills har detta varit extremt utmanande att observera eftersom en sådan effekt är omärkbar genom enkel observation. För att testa om jonrörelse har ett minne måste något ovanligt införas:stör systemet och se sedan hur störningen dämpas.

Seniorförfattaren Professor Saiful Islam (Department of Materials, University of Oxford) sa:"För att använda en visuell analogi är ett sådant experiment som att kasta en sten i en damm för att se hur långt vågorna sprider sig. Men för att se atomer flöda, är stenen i vår studie måste det vara en ljuspuls. Med hjälp av ljus har vi fångat jonernas rörelse på den snabbaste tidsskala någonsin, vilket avslöjar sambandet mellan atomernas individuella rörelser och makroskopiskt flöde."

Forskarna använde ett batterimaterial som modellsystem för att undersöka jonflödet på mikroskopisk nivå. När ett batteri laddas, flyttar en applicerad kraft fysiskt många joner från en elektrod till den andra. Mängden av slumpmässiga rörelser hos de individuella jonerna summerar tillsammans till en nettorörelse som liknar vätskeflödet. Vad som var okänt var om detta övergripande flöde påverkas av minneseffekter som verkar på de individuella jonerna. Till exempel, backar jonerna efter att ha gjort atomstora humle, eller flyter de jämnt och slumpmässigt?

För att fånga detta använde teamet en teknik som kallas pump-probe spektroskopi, med snabba, intensiva ljuspulser för att både trigga och mäta jonernas rörelse. Sådana olinjära optiska metoder används vanligtvis för att studera elektroniska fenomen i tillämpningar från solceller till supraledning, men detta var första gången det har använts för att mäta joniska rörelser utan att involvera elektroner.

Huvudförfattaren Dr Andrey Poletayev (Department of Materials, University of Oxford och tidigare SLAC National Lab) sa:"Vi hittade något intressant, som hände en kort tid efter jonrörelserna som vi utlöste direkt. Jonerna rekyler:om vi trycker på dem till vänster, de backar sedan helst åt höger efteråt.

"Detta liknar ett trögflytande ämne som rycks snabbt för att sedan slappna av långsammare - som honung. Det betyder att ett tag efter att vi pressat jonerna med ljus visste vi något om vad de skulle göra härnäst."

Forskarna kunde bara observera en sådan effekt under mycket kort tid, några biljondelar av en sekund, men förväntar sig att detta kommer att öka i takt med att mätteknikens känslighet förbättras. Uppföljande forskning syftar till att utnyttja denna nyvunna förståelse för att göra snabbare och mer exakta förutsägelser av hur väl material kan transportera laddning för batterier, och konstruera nya typer av datorenheter som skulle fungera snabbare.

Enligt forskarna kommer kvantifiering av denna minneseffekt att hjälpa till att förutsäga transportegenskaperna hos potentiella nya material för de bättre batterier vi behöver för tillväxten av elfordon. Fynden har emellertid implikationer för all teknik där atomer strömmar eller rör sig, oavsett om det är i fasta ämnen eller i vätskor, inklusive neuromorfisk beräkning, avsaltning och andra.

Dr. Poletayev tillade, "Förutom implikationerna för materialupptäckt, avfärdar detta arbete föreställningen att det vi ser på den makroskopiska nivån – transport som verkar minnesfri – replikeras direkt på atomnivå. Skillnaden mellan dessa skalor, orsakad av minneseffekten gör vårt liv väldigt komplicerat, men vi har nu visat att det är möjligt att mäta och kvantifiera detta."

Mer information: Andrey D. Poletayev et al, The persistence of memory in jon conduction probed by olinjär optik, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06827-6

Tillhandahålls av University of Oxford