Investigadores de la Universidad de Oxford han utilizado una nueva técnica para medir el movimiento de partículas cargadas (iones) en la escala de tiempo más rápida jamás vista, revelando nuevos conocimientos sobre los procesos de transporte fundamentales. Estos incluyen la primera demostración de que el flujo de átomos o iones posee una «memoria». Los resultados han sido publicados en la revista. Naturaleza.
La configuración del láser utilizada en el experimento se encuentra en el laboratorio del Dr. Matthias Hoffmann en el Laboratorio Nacional del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) en California. Crédito de la imagen: Dr. Andrey Poletayev.
Ya sea cargando una batería o vertiendo agua, el flujo de materia es uno de los procesos más fundamentales del Universo. Pero aún se desconoce mucho sobre cómo ocurre esto a escala atómica. Comprender mejor esto podría ayudarnos a resolver una amplia gama de problemas, incluido el desarrollo de los materiales necesarios para las tecnologías del mañana.
En el nuevo estudio, un equipo de investigadores de la Universidad de Oxford Departamento de Materiales y el Laboratorio Nacional del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) en California hicieron el sorprendente descubrimiento de que el movimiento de iones individuales puede verse influenciado por su pasado reciente; en otras palabras, hay «un efecto memoria». Esto significa que la historia puede importar a escala microscópica: lo que hizo una partícula hace un momento puede afectar lo que haga a continuación.
Hasta ahora, esto ha sido extremadamente difícil de observar porque tal efecto no se nota con la simple observación. Para comprobar si el movimiento de los iones tiene memoria, se debe introducir algo inusual: perturbar el sistema y luego observar cómo la perturbación disminuye.
Autor principal Profesor Saiful Islam (Departamento de Materiales, Universidad de Oxford) dijo: ‘Para usar una analogía visual, un experimento de este tipo es como arrojar una piedra a un estanque para observar hasta qué punto se extienden las olas. Pero para observar el flujo de los átomos, la roca de nuestro estudio debe ser un pulso de luz. Utilizando la luz, hemos capturado el movimiento de los iones en la escala de tiempo más rápida jamás vista, revelando el vínculo entre el movimiento individual de los átomos y el flujo macroscópico. Los investigadores utilizaron un material de batería como sistema modelo para investigar el flujo de iones a nivel microscópico. Cuando una batería se carga, una fuerza aplicada mueve físicamente muchos iones de un electrodo a otro. La multitud de movimientos aleatorios de los iones individuales en conjunto se suma a un movimiento neto similar al flujo de líquido. Lo que no se sabía era si este flujo global está influenciado por los efectos de la memoria que actúan sobre los iones individuales. Por ejemplo, ¿los iones retroceden después de dar saltos del tamaño de un átomo, o fluyen de manera suave y aleatoria?
Para capturar esto, el equipo utilizó una técnica llamada espectroscopia de sonda de bomba, que utiliza pulsos de luz rápidos e intensos para activar y medir el movimiento de los iones. Estos métodos ópticos no lineales se utilizan comúnmente para estudiar fenómenos electrónicos en aplicaciones que van desde células solares hasta superconductividad, pero esta fue la primera vez que se utilizaron para medir movimientos iónicos sin involucrar electrones.
El autor principal, el Dr. Andrey Poletayev (Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford y anteriormente Laboratorio Nacional SLAC), dijo: «Encontramos algo interesante, que ocurrió poco tiempo después de los movimientos de iones que activamos directamente». Los iones retroceden: si los empujamos hacia la izquierda, después preferentemente retroceden hacia la derecha. Esto se asemeja a una sustancia viscosa que se sacude rápidamente y luego se relaja más lentamente, como la miel. Esto significa que durante un tiempo después de empujar los iones con luz, sabíamos algo sobre lo que harían a continuación.’
Los investigadores sólo pudieron observar este efecto durante un tiempo muy corto, unas pocas billonésimas de segundo, pero esperan que aumente a medida que mejore la sensibilidad de la técnica de medición. La investigación de seguimiento tiene como objetivo explotar esta nueva comprensión para hacer predicciones más rápidas y precisas sobre qué tan bien los materiales pueden transportar carga para las baterías y diseñar nuevos tipos de dispositivos informáticos que funcionen más rápidamente.
Según los investigadores, cuantificar este efecto memoria ayudará a predecir las propiedades de transporte de nuevos materiales potenciales para las mejores baterías que necesitamos para el crecimiento de los vehículos eléctricos. Sin embargo, los hallazgos tienen implicaciones para todas las tecnologías en las que los átomos fluyen o se mueven, ya sea en sólidos o fluidos, incluida la computación neuromórfica, la desalinización y otras.
El Dr. Poletayev añadió: «Además de las implicaciones para el descubrimiento de materiales, este trabajo desmiente la noción de que lo que vemos en el nivel macroscópico (el transporte que parece libre de memoria) se replica directamente en el nivel atómico. La diferencia entre estas escalas, provocada por el efecto memoria, complica mucho nuestra vida, pero ahora hemos demostrado que es posible medirla y cuantificarla.’
El estudio ‘La persistencia de la memoria en la conducción iónica sondada por óptica no lineal’ ha sido publicado en Naturaleza.
Fuente: Universidad de Oxford
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