Onderzoekers van de Universiteit van Oxford hebben een nieuwe techniek gebruikt om de beweging van geladen deeltjes (ionen) op de snelste tijdschaal ooit te meten, waardoor nieuwe inzichten in fundamentele transportprocessen aan het licht komen. Deze omvatten de eerste demonstratie dat de stroom atomen of ionen een 'geheugen' bezit. Het onderzoek 'The persistent of memory in ionic conduction probed by nonlinear optics' is gepubliceerd in Nature .

Of het nu gaat om het opladen van een batterij of het gieten van water, de stroom van materie is een van de meest fundamentele processen in het universum. Maar er blijft verrassend veel onbekend over hoe dit op atomaire schaal gebeurt. Als we dit beter begrijpen, kunnen we een groot aantal problemen oplossen, waaronder de ontwikkeling van de materialen die nodig zijn voor de technologieën van morgen.

In de nieuwe studie deed een team van onderzoekers van het Oxford Department of Materials en het Stanford Linear Accelerator (SLAC) National Laboratory in Californië de verrassende ontdekking dat de beweging van individuele ionen kan worden beïnvloed door het recente verleden; met andere woorden, er is sprake van ‘een geheugeneffect’. Dit betekent dat de geschiedenis er op microscopische schaal toe kan doen:wat een deeltje een moment geleden deed, kan van invloed zijn op wat het daarna doet.

Tot nu toe was dit een enorme uitdaging om waar te nemen, omdat een dergelijk effect bij eenvoudige observatie niet waarneembaar is. Om te testen of de ionenbeweging een geheugen heeft, moet er iets ongewoons worden ingevoerd:het systeem verstoren, en dan kijken hoe de verstoring afneemt.

Senior auteur professor Saiful Islam (Department of Materials, University of Oxford) zei:“Om een ​​visuele analogie te gebruiken:zo’n experiment is hetzelfde als een steen in een vijver gooien om te kijken hoe ver de golven zich verspreiden. Maar om atomen te zien stromen, is de rots in onze studie moet het een lichtpuls zijn. Met behulp van licht hebben we de beweging van ionen op de snelste tijdschaal ooit vastgelegd, waardoor het verband tussen de individuele beweging van atomen en macroscopische stroming zichtbaar wordt.'

De onderzoekers gebruikten een batterijmateriaal als modelsysteem om de ionenstroom op microscopisch niveau te onderzoeken. Wanneer een batterij wordt opgeladen, verplaatst een uitgeoefende kracht fysiek veel ionen van de ene elektrode naar de andere. De veelheid aan willekeurige bewegingen van de individuele ionen vormen gezamenlijk een netto beweging die vergelijkbaar is met vloeistofstroom. Wat onbekend was, was of deze algehele stroom wordt beïnvloed door geheugeneffecten die op de individuele ionen inwerken. Deinzen de ionen bijvoorbeeld terug na het maken van hop ter grootte van een atoom, of stromen ze soepel en willekeurig?

Om dit vast te leggen, gebruikte het team een ​​techniek genaamd pompsondespectroscopie, waarbij gebruik werd gemaakt van snelle, intense lichtpulsen om de beweging van de ionen te activeren en te meten. Dergelijke niet-lineaire optische methoden worden vaak gebruikt om elektronische verschijnselen te bestuderen in toepassingen van zonnecellen tot supergeleiding, maar dit was de eerste keer dat het werd gebruikt om ionische bewegingen te meten zonder dat er elektronen bij betrokken waren.

Hoofdauteur Dr. Andrey Poletayev (Department of Materials, University of Oxford, en voorheen SLAC National Lab) zei:"We hebben iets interessants gevonden, dat gebeurde kort na de ionenbewegingen die we direct teweegbrachten. De ionen deinzen terug:als we ze duwen naar links, daarna keren ze bij voorkeur naar rechts.

"Dit lijkt op een stroperige substantie die snel wordt gerukt en vervolgens langzamer ontspant, zoals honing. Dit betekent dat we een tijdje, nadat we de ionen met licht hadden geduwd, iets wisten over wat ze vervolgens zouden doen."

De onderzoekers konden zo’n effect slechts heel kort waarnemen, enkele biljoensten van een seconde, maar verwachten dat dit zal toenemen naarmate de gevoeligheid van de meettechniek verbetert. Vervolgonderzoek heeft tot doel dit nieuwe inzicht te benutten om snellere en nauwkeurigere voorspellingen te doen over hoe goed materialen de lading van batterijen kunnen transporteren, en om nieuwe soorten computerapparatuur te ontwikkelen die sneller zouden werken.

Volgens de onderzoekers zal het kwantificeren van dit geheugeneffect helpen bij het voorspellen van de transporteigenschappen van potentiële nieuwe materialen voor de betere batterijen die we nodig hebben voor de groei van elektrische voertuigen. De bevindingen hebben echter implicaties voor alle technologieën waarin atomen stromen of bewegen, zowel in vaste stoffen als in vloeistoffen, inclusief neuromorfe computertechnologie, ontzilting en andere.

Dr. Poletayev voegde eraan toe:‘Naast de implicaties voor de ontdekking van materialen, ontkracht dit werk het idee dat wat we op macroscopisch niveau zien – transport dat geheugenvrij lijkt – direct wordt gerepliceerd op atomair niveau. Het verschil tussen deze schalen wordt veroorzaakt door het geheugeneffect maakt ons leven erg ingewikkeld, maar we hebben nu laten zien dat het mogelijk is dit te meten en te kwantificeren."

Meer informatie: Andrey D. Poletayev et al, De persistentie van het geheugen in ionengeleiding onderzocht door niet-lineaire optica, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06827-6

Aangeboden door Universiteit van Oxford