创新的技术表明，跳跃的原子会记住它们曾经去过的地方

探测β-氧化铝中的离子输运。来源:《自然》(Nature)(2024)。DOI: 10.1038/s41586-023-06827-6

牛津大学的研究人员使用了一种新技术，以有史以来最快的时间尺度测量带电粒子(离子)的运动，揭示了对基本传输过程的新见解。其中包括首次证明原子或离子的流动具有“记忆”。这项名为“非线性光学探测离子传导中记忆的持久性”的研究发表在《自然》杂志上。无论是给电池充电还是倒水，物质的流动都是宇宙中最基本的过程之一。但令人惊讶的是，这在原子尺度上是如何发生的仍然未知。更好地理解这一点可以帮助我们解决一系列问题，包括开发未来技术所需的材料。

在这项新研究中，来自牛津大学材料系和加州斯坦福直线加速器(SLAC)国家实验室的一组研究人员惊人地发现，单个离子的运动可以受到其最近历史的影响;换句话说，存在“记忆效应”。这意味着，在微观尺度上，历史是有影响的:一个粒子刚才的行为会影响它接下来的行为。到目前为止，观察这种效应是极具挑战性的，因为这种效应通过简单的观察是无法察觉的。为了测试离子运动是否有记忆，必须引入一些不寻常的东西:干扰系统，然后观察干扰是如何消失的。资深作者、牛津大学材料系教授Saiful Islam说:“用视觉上的比喻来说，这样的实验就像把一块石头扔进池塘里，看海浪能传播多远。但是为了观察原子的流动，我们研究中的岩石必须是光的脉冲。利用光，我们在有史以来最快的时间尺度上捕捉到了离子的运动，揭示了原子个体运动与宏观流动之间的联系。"

研究人员使用电池材料作为模型系统，在微观水平上研究离子流动。当电池充电时，施加的力将许多离子从一个电极移动到另一个电极。单个离子的大量随机运动加在一起形成了类似于液体流动的净运动。目前尚不清楚的是，这种整体流动是否受到作用于单个离子的记忆效应的影响。例如，离子在进行原子大小的跳跃后是会反冲，还是会平稳而随机地流动?

为了捕捉到这一点，研究小组使用了一种叫做泵探光谱学的技术，使用快速、强烈的光脉冲来触发和测量离子的运动。这种非线性光学方法通常用于研究从太阳能电池到超导的电子现象，但这是第一次用于测量不涉及电子的离子运动。

主要作者Andrey Poletayev博士(牛津大学材料系，前SLAC国家实验室)说:“我们发现了一些有趣的事情，发生在我们直接触发离子运动后的短时间内。离子反冲:如果我们把它们推到左边，然后它们优先向右反转。“这类似于一种粘性物质，它被快速地拉动，然后慢慢地放松——就像蜂蜜一样。这意味着在我们用光推动离子之后的一段时间里，我们知道了它们下一步会做什么。"

研究人员只能在很短的时间内观察到这种效应，只有万亿分之一秒，但预计随着测量技术的灵敏度提高，这种效应将会增加。后续研究的目标是利用这一新发现来更快、更准确地预测材料如何为电池输送电荷，并设计出运行更快的新型计算设备。

根据研究人员的说法，量化这种记忆效应将有助于预测潜在的新材料的传输特性，这些新材料可以制造出更好的电池，我们需要这些电池来满足电动汽车的发展。然而，这些发现对所有涉及原子流动或移动的技术都有意义，无论是在固体中还是在流体中，包括神经形态计算、海水淡化等。波列塔耶夫博士补充说:“除了对材料发现的影响外，这项工作还推翻了我们在宏观层面上看到的似乎没有记忆的传输在原子层面上直接复制的概念。”由记忆效应引起的这些尺度之间的差异，使我们的生活变得非常复杂，但我们现在已经证明，测量和量化这种差异是可能的。"