Les atomes qui sautent se souviennent d’où ils étaient

MADRID, le 15 février (EUROPA PRESS) –

Une équipe de scientifiques a utilisé une nouvelle technique pour mesurer le flux de particules chargées (ions) sur l’échelle de temps la plus rapide jamais vuedémontrant qu’il possède une « mémoire ».

Les résultats ont été publiés dans la revue Nature.

Qu’il s’agisse de charger une batterie ou de verser de l’eau, le flux de matière est l’un des processus les plus fondamentaux de l’Univers. Mais on ignore encore beaucoup de choses sur la façon dont cela se produit à l’échelle atomique. Mieux comprendre cela pourrait nous aider à résoudre un large éventail de problèmes, y compris le développement des matériaux nécessaires aux technologies de demain.

Dans la nouvelle étude, une équipe de chercheurs du Département des matériaux d’Oxford et du Laboratoire national des accélérateurs linéaires de Stanford (SLAC) en Californie a fait la découverte surprenante que le mouvement des ions individuels peut être influencé par leur passé récent ; Autrement dit, il y a “un effet mémoire.” Cela signifie qu’à l’échelle microscopique, l’histoire peut avoir de l’importance : ce qu’une particule a fait il y a un instant peut affecter ce qu’elle fera ensuite.

Jusqu’à présent, cela a été extrêmement difficile à observer car un tel effet n’est pas perceptible par une simple observation. Pour vérifier si le mouvement des ions a de la mémoire, il faut introduire quelque chose d’inhabituel : perturber le système puis observer comment la perturbation diminue.

L’auteur principal, le professeur Saiful Islam, du Département des matériaux de l’Université d’Oxford, a déclaré c’est une déclaration : “Pour utiliser une analogie visuelle, une telle expérience revient à jeter une pierre dans un étang pour observer jusqu’où les vagues se propagent. Mais pour observer le flux d’atomes, la roche dans notre étude doit être une impulsion de lumière. En utilisant la lumière, nous avons capturé le mouvement des ions sur l’échelle de temps la plus rapide jamais vue, révélant le lien entre le mouvement individuel des atomes et le flux macroscopique.

Les chercheurs ont utilisé un matériau de batterie comme système modèle pour étudier le flux d’ions au niveau microscopique. Lorsqu’une batterie se charge, une force appliquée déplace physiquement de nombreux ions d’une électrode à une autre. La multitude de mouvements aléatoires d’ions individuels ensemble cela s’ajoute à un mouvement net similaire à l’écoulement d’un liquide.

Ce que l’on ne savait pas, c’est si ce flux global était influencé par des effets de mémoire agissant sur des ions individuels. Par exemple, les ions reculent-ils après avoir effectué des sauts de la taille d’un atome, ou circulent-ils de manière fluide et aléatoire ? Pour capturer cela, l’équipe a utilisé une technique appelée spectroscopie à sonde à pompe, qui utilise des impulsions lumineuses rapides et intenses pour déclencher et mesurer le mouvement des ions. Ces méthodes optiques non linéaires sont couramment utilisées pour étudier les phénomènes électroniques dans des applications allant des cellules solaires à la supraconductivité, mais c’était la première fois qu’ils étaient utilisés pour mesurer des mouvements ioniques sans impliquer d’électrons.

L’auteur principal, le Dr Andrey Poletayev, du Département des matériaux de l’Université d’Oxford et auparavant du SLAC, a déclaré : « Nous avons trouvé quelque chose d’intéressant, qui s’est produit peu de temps après les mouvements ioniques que nous avons directement activés. Les ions reculent : Si on les pousse vers la gauche, ils reculent alors de préférence vers la droite. Cela ressemble à une substance visqueuse qui est secouée rapidement puis relâchée plus lentement, comme le miel. Cela signifie que pendant un certain temps après avoir poussé les ions avec la lumière, “Nous savions quelque chose sur ce qu’ils allaient faire ensuite.”

Les chercheurs n’ont pu observer cet effet que pendant un temps très court, quelques milliardièmes de seconde, mais ils s’attendent à ce qu’elle augmente à mesure que la sensibilité de la technique de mesure s’améliore. Les recherches de suivi visent à exploiter ces nouvelles connaissances pour faire des prédictions plus rapides et plus précises sur la capacité des matériaux à transporter la charge des batteries et concevoir de nouveaux types de dispositifs informatiques fonctionnant plus rapidement.

Selon les chercheurs, quantifier cet effet mémoire aidera à prédire les propriétés de transport de nouveaux matériaux potentiels pour les meilleures batteries dont nous avons besoin pour la croissance des véhicules électriques. Cependant, les résultats ont des implications pour toutes les technologies dans lesquelles les atomes circulent ou se déplacent, que ce soit dans des solides ou des fluides. y compris l’informatique neuromorphique, le dessalement et autres.

Le Dr Poletayev a ajouté : « En plus des implications pour la découverte de matériaux, ce travail démystifie l’idée selon laquelle ce que nous voyons au niveau macroscopique (un transport qui semble sans mémoire) est directement reproduit au niveau atomique. La différence entre ces échelles, provoqué par l’effet mémoire, rend nos vies très compliquées, mais nous avons maintenant montré qu’il est possible de le mesurer et de le quantifier.