Hyppivät atomit muistavat missä ne ovat olleet

20.02.2024

Oxford-atomi-muistaa-entisen-paikkansa-300-t.jpgOxfordin yliopiston tutkijat ovat käyttäneet uutta tekniikkaa mitatakseen varautuneiden hiukkasten (ionien) liikettä kaikkien aikojen nopeimmalla aikaskaalalla, mikä paljastaa uusia oivalluksia perustavanlaatuisista kuljetusprosesseista.

Näihin kuuluu ensimmäinen osoitus siitä, että atomien tai ionien virtauksella on "muisti". Tulokset on julkaistu Nature -lehdessä.

Nopea ionikuljetus kiinteän aineen tilassa saa nykyään erityistä huomiota, koska se on tärkeä energia- ja tietoteknologioissa, kuten kiintoaineissa akuissa ja haihtumattomissa muisteissa.

Tutkijaryhmä Oxfordin materiaaliosastosta ja Kalifornian SLAC National Accelerator Laboratorysta on tehnyt aiheesta yllättävän havainnon. Yksittäisten ionien liikkeisiin voi vaikuttaa sen lähimenneisyys; toisin sanoen on olemassa "muistiefekti". Tämä tarkoittaa, että mikroskooppisessa mittakaavassa historialla voi olla merkitystä: se, mitä hiukkanen teki hetki sitten, voi vaikuttaa siihen, mitä se tekee seuraavaksi.

Tähän asti tämä on ollut erittäin haastavaa havaita, koska tällaista vaikutusta ei huomaa yksinkertaisella havainnolla.

Tutkijat käyttivät akkumateriaalia mallijärjestelmänä tutkiakseen ionivirtausta mikroskooppisella tasolla. Kun akku latautuu, siihen kohdistettu voima siirtää fyysisesti monia ioneja elektrodilta toiselle. Yksittäisten ionien satunnaisten liikkeiden lukumäärä yhdessä muodostaa nestevirtauksen kaltaisen nettoliikkeen. Ei tiedetty, vaikuttavatko tähän kokonaisvirtaukseen, yksittäisiin ioneihin vaikuttavat muistivaikutukset. Kääntyvätkö ionit esimerkiksi atomikokoisten hyppyjen jälkeen vai virtaavatko ne tasaisesti ja satunnaisesti?

Tämän kysymyksen tutkimiseksi ryhmä käytti tekniikkaa, jota kutsutaan pumppu-anturispektroskopiaksi ja sitä käytettiin mittaamaan ioniliikkeitä ilman elektroneja.

Ensimmäinen kirjoittaja tohtori Andrey Poletajev toteaa: Materiaalien löytöjä koskevien vaikutusten lisäksi tämä työ kumoaa sen käsityksen, että se, mitä näemme makroskooppisella tasolla – kuljetus, joka näyttää muistittomalta – tapahtuu myös atomitasolla.

Tutkijat pystyivät havaitsemaan tällaista muistimaista vaikutusta vain hyvin lyhyen ajan, muutaman sekunnin biljoonaosan, mutta odottavat tämän lisääntyvän, kun mittaustekniikan herkkyys paranee.

Seurantatutkimuksella pyritään hyödyntämään tätä uutta ymmärrystä nopeampien ja tarkempien ennusteiden tekemiseksi siitä, kuinka hyvin materiaalit voivat kuljettaa esimerkiksi akkujen latausta, ja suunnitella uudenlaisia laskentalaitteita, jotka toimisivat nopeammin.

Löydöksillä on kuitenkin vaikutuksia kaikkiin tekniikoihin, joissa atomit virtaavat tai liikkuvat, joko kiinteissä aineissa tai nesteissä, mukaan lukien neuromorfinen laskenta, suolanpoisto ja muut.

Muistivaikutuksen aiheuttama ero näiden asteikkojen välillä tekee elämästämme hyvin monimutkaista, mutta nyt olemme osoittaneet, että tämä on mahdollista mitata ja kvantifioida.

Aiheesta aiemmin:

Materiaali oppii kuin aivot

12.07.2024Hyönteisistä inspiroidut liiketunnistin ja logiikka
08.07.2024Kvanttiannealaari parantaa ymmärrystä kvanttimonikehojärjestelmistä
05.07.2024Hyönteisten lennon salaperäinen mekaniikka
01.07.2024Eksitonit mahdollistavat erittäin ohuen linssin
28.06.2024Luontoa tarkkaillen
27.06.2024Uusi fysikaalinen ilmiö kahden erilaisen materiaalin rajapinnassa
20.06.2024Perovskiiteistä 1D-nanolankoja ja topologisia polaroneita
19.06.2024Täysin optinen fotonisiru tunnistaa ja käsittelee
19.06.2024Uusia toiveita sinkki-ilma akuille
17.06.2024Elektroneille viisikaistainen supervaltatie

Siirry arkistoon »