盖世汽车讯 据外媒报道，牛津大学（University of Oxford）的研究人员使用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”。这项研究为“非线性光学探测离子传导中的记忆持久性”，已发表于期刊《Nature》。
无论是给电池充电还是倒水，物质流动都是宇宙中最基本的过程之一。但令人惊讶的是，关于这种现象在原子尺度上是如何发生的，仍然有很多未知数。更好地理解这一点可以帮助我们解决大量问题，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利福尼亚州斯坦福线性加速器（SLAC）国家实验室的一组研究人员得出令人惊讶的发现，即单个离子的运动可能会受到其近期行径影响，换句话说，即存在“记忆效应”。这意味着，在微观尺度上，粒子刚刚所做的事情可能会影响它接下来所做的事情。
到目前为止，观察这一现象极具挑战性，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，必须引入干扰系统，然后观察干扰如何消失。
资深作者、牛津大学材料系教授Saiful Islam表示：“用视觉比喻来说，这样的实验就像把一块石头扔进池塘里，观察波浪传播的距离。但是为了观察原子流动，我们研究中的岩石必须是光脉冲。利用光，我们以有史以来最快的时间尺度捕捉到了离子的运动，揭示了原子的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来研究微观水平的离子流。电池充电时，施加的力会将许多离子从一个电极物理移动到另一个电极。单个离子的大量随机运动共同构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否会反冲，或者它们是否平稳且随机地流动？
为了捕捉这一现象，该团队使用了一种称为泵浦探针光谱学的技术，利用快速、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等应用中的电子现象，但这是第一次使用它来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国家实验室成员）表示：“我们发现，在我们直接触发的离子运动后不久，离子会进行反冲，即如果我们推动它们向左移动，它们反而会优先向右反转。这就像一种粘性物质被快速拉动，然后慢慢放松——就像蜂蜜一样。这意味着，在我们用光推动离子后的一段时间内，我们可以知道它们下一步会做什么。”
研究人员只能在很短的时间内（几万亿分之一秒）观察到这种效应，但预计随着测量技术灵敏度的提高，这种效应将会增加。后续研究旨在利用这一新发现，更快、更准确地预测材料为电池传输电荷的能力，并设计运行速度更快的新型计算设备。
研究人员表示，量化这种记忆效应将有助于预测潜在新材料的传输特性，从而为电动汽车的发展提供更好的电池。然而，这些发现对所有原子流动或移动的技术都有影响，无论是在固体还是液体中，包括神经形态计算和海水淡化等。
