Pesquisadores da Universidade de Oxford usaram uma nova técnica para medir o movimento de partículas carregadas (íons) na escala de tempo mais rápida de todos os tempos, revelando novos insights sobre processos fundamentais de transporte. Estas incluem a primeira demonstração de que o fluxo de átomos ou íons possui uma “memória”. Os resultados foram publicados na revista Nature.

Seja carregando uma bateria ou despejando água, o fluxo da matéria é um dos processos mais fundamentais do Universo. Mas uma quantidade surpreendente permanece desconhecida sobre como isso ocorre em escala atômica. Compreender melhor isto poderia ajudar-nos a resolver uma vasta gama de problemas, incluindo o desenvolvimento dos materiais necessários para as tecnologias de amanhã.

No novo estudo, uma equipe de pesquisadores do Departamento de Materiais de Oxford e do Laboratório Nacional do Acelerador Linear de Stanford (SLAC), na Califórnia, fez a surpreendente descoberta de que o movimento de íons individuais pode ser influenciado por seu passado recente; em outras palavras, há “um efeito memória”. Isto significa que, à escala microscópica, a história pode ser importante: o que uma partícula fez há um momento atrás pode afetar o que fará a seguir.

Até agora, isto tem sido extremamente difícil de observar porque tal efeito é imperceptível pela simples observação. Para testar se o movimento iônico tem memória, algo incomum deve ser introduzido: perturbar o sistema e depois observar como a perturbação diminui.

O autor sênior, Professor Saiful Islam (Departamento de Materiais da Universidade de Oxford), disse: 'Para usar uma analogia visual, tal experimento é como jogar uma pedra em um lago para observar até que ponto as ondas se espalham. Mas para observar o fluxo dos átomos, a rocha em nosso estudo deve ser um pulso de luz. Usando a luz, capturamos o movimento dos íons na escala de tempo mais rápida de todos os tempos, revelando a ligação entre o movimento individual dos átomos e o fluxo macroscópico.

Os pesquisadores usaram um material de bateria como sistema modelo para investigar o fluxo de íons em nível microscópico. Quando uma bateria é carregada, uma força aplicada move fisicamente muitos íons de um eletrodo para outro. A multiplicidade de movimentos aleatórios dos íons individuais resulta coletivamente em um movimento líquido semelhante ao fluxo de líquido. O que não se sabia era se este fluxo global é influenciado pelos efeitos de memória que atuam sobre os íons individuais. Por exemplo, os íons recuam depois de dar saltos do tamanho de um átomo ou fluem de maneira suave e aleatória?

Para capturar isso, a equipe usou uma técnica chamada espectroscopia bomba-sonda, usando pulsos de luz rápidos e intensos para desencadear e medir o movimento dos íons. Esses métodos ópticos não lineares são comumente usados para estudar fenômenos eletrônicos em aplicações que vão desde células solares até supercondutividade, mas esta foi a primeira vez que foram usados para medir movimentos iônicos sem envolver elétrons.

O autor principal, Andrey Poletayev (Departamento de Materiais da Universidade de Oxford, e ex-SLAC National Lab) disse: 'Encontramos algo interessante, que aconteceu pouco tempo depois dos movimentos iônicos que acionamos diretamente. Os íons recuam: se os empurrarmos para a esquerda, eles então revertem preferencialmente para a direita. Isso se assemelha a uma substância viscosa sendo sacudida rapidamente e depois relaxando mais lentamente - como o mel. Isto significa que durante algum tempo, depois de termos empurrado os íons com luz, sabíamos algo sobre o que eles fariam a seguir.

Os pesquisadores só conseguiram observar tal efeito por um período muito curto, alguns trilionésimos de segundo, mas esperam que isso aumente à medida que a sensibilidade da técnica de medição melhorar. A investigação de acompanhamento visa explorar esta nova compreensão para fazer previsões mais rápidas e precisas sobre quão bem os materiais podem transportar carga para baterias e projetar novos tipos de dispositivos de computação que funcionariam mais rapidamente.

Segundo os investigadores, quantificar este efeito memória ajudará a prever as propriedades de transporte de potenciais novos materiais para as melhores baterias de que necessitamos para o crescimento dos veículos eléctricos. No entanto, as descobertas têm implicações para todas as tecnologias nas quais os átomos fluem ou se movem, seja em sólidos ou em fluidos, incluindo computação neuromórfica, dessalinização e outras.

O Dr. Poletayev acrescentou: “Além das implicações para a descoberta de materiais, este trabalho desilude a noção de que o que vemos no nível macroscópico – transporte que parece livre de memória – é diretamente replicado no nível atômico. A diferença entre essas escalas, causada pelo efeito memória, complica muito a nossa vida, mas agora mostramos que é possível medir e quantificar isso.

O estudo 'A persistência da memória na condução iônica sondada por óptica não linear' foi publicado na Nature.