创新技术揭示了跳跃的原子能记住它们曾经去过的地方

牛津大学的研究人员使用一种新技术在有史以来最快的时间尺度上测量带电粒子（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”。这项题为“非线性光学探测的离子传导中记忆的持久性”的研究已发表在《自然》杂志上

无论是给电池充电还是倒水，物质的流动都是宇宙中最基本的过程之一。但是，在原子尺度上，这种情况是如何发生的，仍然有一个惊人的数量是未知的。更好地理解这一点可以帮助我们解决一系列问题，包括开发未来技术所需的材料

在这项新研究中，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做出了一个令人惊讶的发现，即单个离子的运动会受到其最近过去的影响；换句话说，存在“记忆效应”。这意味着，在微观尺度上，历史可能很重要：一个粒子前一刻做了什么，会影响它下一步做什么

到目前为止，观察这一现象极具挑战性，因为通过简单的观察无法观察到这种影响。为了测试离子运动是否有记忆，必须引入一些不寻常的东西：扰乱系统，然后观察扰动是如何消失的

资深作者Saiful Islam教授（牛津大学材料系）说，“用视觉类比，这样的实验就像把一块石头扔到池塘里，观察波浪传播多远。但为了观察原子的流动，我们研究中的岩石必须是一个光脉冲。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，揭示了原子的单个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，在微观层面上研究离子流。当电池充电时，施加的力会将许多离子从一个电极物理地移动到另一个电极。单个离子的大量随机运动共同形成类似于液体流动的净运动。未知的是，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，离子在发生原子大小的跳跃后会反冲吗？或者它们会平滑随机地流动吗

为了捕捉这一点，该团队使用了一种名为泵浦探针光谱的技术，使用快速、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的应用中的电子现象，但这是首次在不涉及电子的情况下用于测量离子运动

首席作者Andrey Poletayev博士（牛津大学材料系，前SLAC国家实验室）说：“我们发现了一些有趣的事情，发生在我们直接触发离子运动后不久。离子会反冲：如果我们把它们向左推，它们随后会优先向右翻转。

”这就像一种粘稠的物质被迅速地甩动，然后放松得更慢——就像蜂蜜一样。这意味着，在我们用光推动离子之后的一段时间里，我们对它们接下来会做什么有所了解。“

研究人员只能在极短的时间内观察到这种影响，即数万亿分之一秒，但预计随着测量技术灵敏度的提高，这种影响会增加。后续研究旨在利用这一新发现的理解，更快、更准确地预测材料为电池输送电荷的能力，并设计新的种类运行速度更快的计算设备

根据研究人员的说法，量化这种记忆效应将有助于预测潜在新材料的运输特性，这些材料是我们发展电动汽车所需的更好的电池。然而，这些发现对原子流动或移动的所有技术都有意义，无论是在固体还是流体中，包括神经形态计算、脱盐等

Poletayev博士补充道，“除了对材料发现的影响外，这项工作还打消了我们在宏观层面上看到的——看起来没有记忆的传输——是直接在原子层面复制的想法。记忆效应导致的这些尺度之间的差异使我们的生活变得非常复杂，但我们现在已经证明，测量和量化这一点是可能的。”