På kanten af ​​kaos, kraftfuld ny elektronik kunne skabes

Et fænomen, der er velkendt fra kaosteorien, blev observeret i et materiale for første gang nogensinde, af forskere fra University of Groningen, Holland. En strukturel overgang i det ferroelastiske materiale bariumtitanat, forårsaget af en stigning eller et fald i temperaturen, ligner den periodiske fordobling set i ikke-lineære dynamiske systemer. Dette rumlige kaos i et materiale blev først forudsagt i 1985 og kunne bruges i applikationer som f.eks. Tilpassbar neuromorf elektronik. Resultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve den 22. august.

Et team af fysikere ved University of Groningen, ledet af professor i funktionelle nanomaterialer Beatriz Noheda, gjorde deres observation i tynde film af bariumtitanat (BaTiO ₃ ), et ferroelastisk materiale. Ferromaterialer er kendetegnet ved deres ordnede struktur, i form (ferroelastisk), ladning (ferroelektrisk) eller magnetisk moment (ferromagnetisk), for eksempel. "Disse materialer er altid krystaller, hvor atomerne er arrangeret med karakteristiske symmetrier, "Forklarer Noheda.

Tvillinger

Elektriske eller magnetiske dipoler er justeret inden for domæner i krystallerne. "Imidlertid, dipolerne kan pege op eller ned, da begge stater er ækvivalente. "Som følge heraf, krystaller af disse materialer vil have begge typer domæner. Det samme gælder ferroelastiske materialer, bedst kendt for deres formhukommelse. I dette tilfælde, imidlertid, situationen er lidt mere kompliceret, Noheda forklarer:"Enhedens celler i disse krystaller er aflange, hvilket betyder, at domæner i de forskellige enhedsceller ikke let matcher i form. Dette skaber en elastisk belastning, der reducerer krystalstabiliteten. "

Krystallen kan forbedre stabiliteten naturligt ved at danne tvillinger af domæner, som er let vippet i modsatte retninger for at lindre belastningen. Resultatet er et materiale, hvor disse venskabspar danner vekslende domæner, med en fast periodicitet. Opvarmning forårsager en faseændring i materialet, hvor både retningen og periodiciteten af ​​domænevæggene ændres. "Spørgsmålet var, hvordan denne ændring foregår, "siger Noheda.

Domæne vægge

Forøgelse af temperaturen øger uorden (entropi) i materialet. Dermed, en tovtrækkeri starter mellem den iboende tendens til orden og den stigende entropi. Det er denne proces, der blev observeret for første gang af Groningen -teamet, ved hjælp af atomkraftmikroskopi. Ved opvarmning af prøver fra 25 ° C til 70 ° C, der sker en faseændring, ændring af domænemurenes placering. Når overgangen starter, domæne vægge i den nye fase vises gradvist, og begge faser eksisterer sammen ved mellemliggende temperaturer (30 ° C til 50 ° C). "Dette sker ikke tilfældigt, men ved gentagen fordobling, "siger Noheda. Afkøling af materialet reducerer periodiciteten af ​​domænerne ved gentagen halvering.

"Denne fordobling eller halvering er velkendt i ikke-lineære dynamiske systemer, når de er tæt på overgangen til kaotisk adfærd, "forklarer Noheda, "Imidlertid, det var aldrig blevet observeret i rumlige domæner, men kun i tidsperioder. "Ligheden mellem tyndfilmers adfærd og ikke-lineære systemers adfærd tyder på, at materialet i sig selv er på kanten af ​​kaos under opvarmning." Dette er en interessant observation, fordi det betyder, at systemets respons er stærkt afhængig af indledende forhold. Dermed, vi kunne få meget forskellige svar efter en lille ændring i disse forhold. "

Neuromorf computing

Papiret indeholder teoretiske beregninger fra kolleger ved Penn State University (US) og University of Cambridge (UK), som viser, at den adfærd, der observeres i det ferroelastiske bariumtitanat, er generisk for ferromaterialer. Dermed, et ferroelektrisk materiale på kanten af ​​kaos kunne give en meget forskelligartet reaktion over en lille række indgangsspændinger. "Det er præcis, hvad du vil, at skabe den type tilpasningsdygtig respons, der er nødvendig for neuromorfe computere, såsom reservoir computing, som drager fordel af ikke-lineære systemer, der kan producere meget forskellige input-output-sæt. "

Papiret i Fysisk gennemgangsbreve er et principbevis, viser, hvordan et materiale kan designes til at eksistere på kanten af ​​kaos, hvor den er meget lydhør. Noheda påpeger også, hvordan fordobling af domæner skaber en struktur, der ligner de todelt dendritter, der forbinder de pyramidale celler i hjernen. Disse celler spiller en vigtig rolle i kognitive evner. Ultimativt, ferromaterialer på kanten af ​​kaos kan bruges til at oprette elektroniske hjernelignende systemer til kompleks computing.