Частицы помнят прошлое: как память ионов меняет физику потоков

Зарядка телефона, течение реки, движение крови по сосудам — всё это потоки. Фундаментальнее не придумаешь. Но вот парадокс: на атомном уровне мы до сих пор многого не понимаем. А ведь именно там скрыты ключи к материалам будущего и технологиям следующего поколения. Интересно, сколько революционных открытий мы пропустили, просто не дойдя до этого микроскопического уровня?

В свежей работе команда из Оксфорда и Стэнфордской национальной лаборатории наконец-то заглянула в этот мир. Они доказали: у потока ионов есть «эффект памяти». На микроскопическом уровне история имеет значение. То, что частица сделала только что, влияет на её следующий шаг. Это переворачивает с ног на голову классические модели, где частицы часто считались безликими и лишенными прошлого.

Долгое время этот эффект ускользал от наблюдений — он слишком мимолетный. Чтобы его поймать, нужно систему резко толкнуть и смотреть, как она «отходит» от этого толчка. Представьте, что вы хлопаете в ладоши в тихом зале и слушаете, как долго длится эхо.

Соавтор работы, профессор Сайфул Ислам, проводит яркую параллель: «Это как бросить камень в спокойный пруд и следить за расходящимися кругами. Нашим «камнем» стал импульс света. С его помощью мы зафиксировали движение ионов в самом коротком из доступных сегодня промежутков времени. Мы увидели невидимую нить, связывающую прыжок отдельного атома с общим макроскопическим потоком».

Для своего эксперимента ученые взяли обычную батарею. Заряжая её, они создавали поток ионов между электродами. Каждый ион двигался почти случайно, но в сумме это складывалось в упорядоченное течение, похожее на поток жидкости. Главный вопрос был: а есть ли у этого коллективного танца память? Отскакивают ли ионы назад после своего атомного прыжка или их движение абсолютно хаотично? Представьте разницу между прыжками на батуте и плавным скольжением по льду.

Чтобы получить ответ, команда применила метод спектроскопии накачки-зонда, используя сверхбыстрые световые импульсы как для «толчка», так и для «наблюдения».

Ведущий автор, доктор Андрей Полетаев, описывает открытие так: «Мы увидели, что сразу после толчка ионы ведут себя неожиданно: толкнутые влево, они делают отскок вправо. Это напоминает поведение очень вязкой жидкости — например, меда. Его можно резко дёрнуть, а потом он медленно и плавно растекается. Получается, какое-то время после воздействия светом мы можем предсказать, что ионы сделают дальше. У них есть кратковременная, но измеримая память».

Эффект памяти удалось засечь лишь на невероятно коротких отрезках — триллионные доли секунды. Но ученые уверены: по мере роста чувствительности приборов мы будем видеть его всё чётче. Это открывает фантастические перспективы. Следующий шаг — использовать это знание для точного прогнозирования свойств материалов для батарей и даже для создания принципиально новых нейроморфных процессоров, которые имитируют работу мозга. Ведь что такое память, как не основа обучения?

Последствия этой работы выходят далеко за рамки электрохимии. Они касаются любой технологии, где что-то течёт — от опреснения воды до движения дефектов в кристаллах. Похоже, мы только что научились слушать тихий шёпот прошлого в мире атомов. А это меняет всё.