Des chercheurs de l'Université d'Oxford ont utilisé une nouvelle technique pour mesurer le mouvement des particules chargées (ions) sur une échelle de temps la plus rapide jamais vue, révélant ainsi de nouvelles informations sur les processus de transport fondamentaux. Il s'agit notamment de la première démonstration selon laquelle le flux d'atomes ou d'ions possède une « mémoire ». L'étude intitulée "La persistance de la mémoire dans la conduction ionique sondée par l'optique non linéaire" a été publiée dans 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 il reste encore beaucoup d’informations surprenantes sur la façon dont cela se produit à l’échelle atomique. Mieux comprendre cela pourrait nous aider à résoudre un large éventail de problèmes, notamment en développant les matériaux nécessaires aux technologies de demain.

Dans la nouvelle étude, une équipe de chercheurs basée au Département des matériaux d'Oxford et au Laboratoire national de l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) en Californie a fait la découverte surprenante que le mouvement des ions individuels peut être influencé par son passé récent; en d’autres termes, 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 est imperceptible par une simple observation. Pour tester si le mouvement des ions a une mémoire, quelque chose d'inhabituel doit être introduit :perturber le système, puis observer comment la perturbation s'atténue.

L'auteur principal, le professeur Saiful Islam (Département des matériaux, Université d'Oxford) a déclaré :« 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 les atomes couler, la roche dans notre étude doit être une impulsion de lumière. Grâce à la lumière, nous avons capturé le mouvement des ions sur une 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 l'autre. La multitude de mouvements aléatoires des ions individuels s’ajoutent collectivement à un mouvement net similaire à l’écoulement d’un liquide. On ne savait pas si ce flux global était influencé par des effets de mémoire agissant sur les 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 ?

Afin de capturer cela, l’équipe a utilisé une technique appelée spectroscopie pompe-sonde, utilisant des impulsions lumineuses rapides et intenses pour déclencher et mesurer le mouvement des ions. De telles 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'elles étaient utilisées pour mesurer les mouvements ioniques sans impliquer d'électrons.

L'auteur principal, le Dr Andrey Poletayev (Département des matériaux de l'Université d'Oxford et anciennement laboratoire national du SLAC), a déclaré :"Nous avons découvert quelque chose d'intéressant, qui s'est produit peu de temps après les mouvements ioniques que nous avons déclenchés directement. Les ions reculent :si nous les poussons vers la gauche, ils s'inversent ensuite préférentiellement vers la droite.

"Cela ressemble à une substance visqueuse qui est secouée rapidement puis se détend 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 feraient ensuite."

Les chercheurs n’ont pu observer un tel effet que pendant une durée très courte, quelques billionièmes de seconde, mais ils s’attendent à ce que cela augmente à mesure que la sensibilité de la technique de mesure s’améliore. Les recherches ultérieures 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 à concevoir de nouveaux types d'appareils informatiques qui fonctionneraient 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 les solides ou les fluides, y compris l'informatique neuromorphique, le dessalement et autres.

Le Dr Poletayev a ajouté :« Outre les implications pour la découverte de matériaux, ce travail désabuse l'idée selon laquelle ce que nous observons au niveau macroscopique – un transport qui semble sans mémoire – est directement reproduit au niveau atomique. La différence entre ces échelles, causée par L'effet mémoire rend notre vie très compliquée, mais nous avons maintenant montré qu'il est possible de le mesurer et de le quantifier."

Plus d'informations : Andrey D. Poletayev et al, La persistance de la mémoire dans la conduction ionique sondée par l'optique non linéaire, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-023-06827-6

Fourni par l'Université d'Oxford