I ricercatori dell’Università di Oxford hanno utilizzato una nuova tecnica per misurare il movimento delle particelle cariche (ioni) sulla scala temporale più veloce mai vista, rivelando nuove informazioni sui processi fondamentali di trasporto. Tra queste c'è la prima dimostrazione che il flusso di atomi o ioni possiede una "memoria". Lo studio "La persistenza della memoria nella conduzione ionica sondata dall'ottica non lineare" è stato pubblicato su Nature .
Che si tratti di caricare una batteria o di versare acqua, il flusso della materia è uno dei processi fondamentali dell'universo. Ma resta ancora molto sconosciuto su come ciò avvenga su scala atomica. Comprenderlo meglio potrebbe aiutarci a risolvere un'ampia gamma di problemi, compreso lo sviluppo dei materiali necessari per le tecnologie di domani.
Nel nuovo studio, un team di ricercatori del Dipartimento dei Materiali di Oxford e del Laboratorio Nazionale dell'Acceleratore Lineare di Stanford (SLAC) in California ha fatto la sorprendente scoperta che il movimento dei singoli ioni può essere influenzato dal suo recente passato; in altre parole, c'è "un effetto memoria". Ciò significa che, su scala microscopica, la storia può avere importanza:ciò che una particella ha fatto un momento fa può influenzare ciò che farà dopo.
Fino ad ora, questo è stato estremamente difficile da osservare perché un tale effetto è impercettibile con la semplice osservazione. Per verificare se il movimento degli ioni ha una memoria, è necessario introdurre qualcosa di insolito:disturbare il sistema e poi osservare come il disturbo si attenua.
L'autore senior, il professor Saiful Islam (Dipartimento dei Materiali, Università di Oxford), ha detto:"Per usare un'analogia visiva, un simile esperimento è come lanciare una roccia in uno stagno per vedere quanto si diffondono le onde. Ma per osservare il flusso degli atomi, la roccia nel nostro studio deve trattarsi di un impulso di luce, utilizzando la luce, abbiamo catturato il movimento degli ioni nella scala temporale più veloce mai vista, rivelando il legame tra il movimento individuale degli atomi e il flusso macroscopico."
I ricercatori hanno utilizzato il materiale di una batteria come sistema modello per studiare il flusso ionico a livello microscopico. Quando una batteria si carica, una forza applicata sposta fisicamente molti ioni da un elettrodo all'altro. La moltitudine di movimenti casuali dei singoli ioni si somma collettivamente a un movimento netto simile al flusso di un liquido. Ciò che non si sapeva era se questo flusso complessivo fosse influenzato da effetti di memoria che agiscono sui singoli ioni. Ad esempio, gli ioni si ritirano dopo aver fatto salti delle dimensioni di un atomo o fluiscono in modo fluido e casuale?
Per catturarlo, il team ha utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia con sonda a pompa, utilizzando impulsi di luce rapidi e intensi sia per innescare che per misurare il movimento degli ioni. Tali metodi ottici non lineari sono comunemente usati per studiare i fenomeni elettronici in applicazioni dalle celle solari alla superconduttività, ma questa è stata la prima volta che sono stati utilizzati per misurare i movimenti ionici senza coinvolgere gli elettroni.
L'autore principale, il dottor Andrey Poletayev (Dipartimento dei materiali, Università di Oxford, e precedentemente SLAC National Lab) ha dichiarato:"Abbiamo trovato qualcosa di interessante, che è accaduto poco tempo dopo i movimenti degli ioni che abbiamo innescato direttamente. Gli ioni si ritirano:se li spingiamo a sinistra, poi invertono preferibilmente a destra.
"Assomiglia a una sostanza viscosa che viene scossa rapidamente e poi si rilassa più lentamente, come il miele. Ciò significa che per un certo periodo, dopo aver spinto gli ioni con la luce, sapevamo qualcosa su cosa avrebbero fatto dopo."
I ricercatori sono stati in grado di osservare un simile effetto solo per un tempo molto breve, pochi trilionesimi di secondo, ma si aspettano che questo aumenterà con il miglioramento della sensibilità della tecnica di misurazione. La ricerca di follow-up mira a sfruttare questa nuova comprensione per fare previsioni più rapide e accurate su come i materiali possono trasportare la carica per le batterie e per progettare nuovi tipi di dispositivi informatici che funzionerebbero più rapidamente.
Secondo i ricercatori, quantificare questo effetto memoria aiuterà a prevedere le proprietà di trasporto di potenziali nuovi materiali per le batterie migliori di cui abbiamo bisogno per la crescita dei veicoli elettrici. Tuttavia, i risultati hanno implicazioni per tutte le tecnologie in cui gli atomi fluiscono o si muovono, sia nei solidi che nei fluidi, compresi il calcolo neuromorfico, la desalinizzazione e altre.
Il dottor Poletayev ha aggiunto:"Oltre alle implicazioni per la scoperta dei materiali, questo lavoro smentisce l'idea che ciò che vediamo a livello macroscopico - il trasporto che appare privo di memoria - è direttamente replicato a livello atomico. La differenza tra queste scale, causata da l'effetto memoria, rende la nostra vita molto complicata, ma ora abbiamo dimostrato che è possibile misurarlo e quantificarlo."
Ulteriori informazioni: Andrey D. Poletayev et al, La persistenza della memoria nella conduzione ionica sondata dall'ottica non lineare, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06827-6
Fornito dall'Università di Oxford
