Forskare vid Tokyo Institute of Technology har funnit en enkel, men ändå mycket mångsidigt sätt att generera "kaotiska signaler" med olika funktioner. Tekniken består av sammankoppling av tre ringoscillatorer, effektivt få dem att tävla mot varandra, samtidigt som de styr sina respektive styrkor och deras kopplingar. Den resulterande enheten är ganska liten och effektiv, sålunda lämplig för nya applikationer som att realisera trådlösa nätverk av sensorer.

Möjligheten att återskapa de signaler som finns i naturliga system, som de i hjärnan, svärmar, och vädret, är användbart för att förstå de bakomliggande principerna. Dessa signaler kan vara mycket komplexa, som i extrema fallet med de så kallade kaotiska signalerna. "Kaos" betyder inte slumpmässighet; det representerar en mycket komplicerad typ av order. Minutta förändringar i parametrarna för ett kaotiskt system kan resultera i mycket olika beteenden. Kaotiska signaler är svåra att förutsäga, men de finns i många scenarier.

Tyvärr, genereringen av kaotiska signaler med önskade funktioner är en svår uppgift. Att skapa dem digitalt är i vissa fall för kraftintensivt, och metoder baserade på analoga kretsar krävs. Nu, forskare i Japan, Italien och Polen föreslår en ny metod för att skapa integrerade kretsar som kan generera kaotiska signaler. Denna forskning var resultatet av ett samarbete mellan forskare från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), delvis finansierad av World Research Hub Initiative, universiteten i Catania och Trento, Italien, och polska vetenskapsakademien i Krakow, Polen.

Forskargruppen utgår från tanken att cykler som har perioder satta med primtal inte kan utveckla en fastfasrelation. Förvånande, denna princip verkar ha framkommit i utvecklingen av flera arter av cikader, vars livscykler följer årtal för att undvika synkronisering med varandra och med rovdjur. Till exempel, försök att knyta samman oscillatorer med perioder inställda på de tre första primtalen (3, 5 och 7) resulterar i signaler som är mycket komplicerade, och kaos kan lätt genereras (fig. 1).

Designen startade från den mest traditionella oscillatorn som finns i integrerade kretsar, ringoscillatorn, som är liten och inte kräver reaktiva komponenter (kondensatorer och induktorer). En sådan krets modifierades så att styrkan hos ringoscillatorer som har tre, fem och sju steg skulle kunna styras oberoende, tillsammans med att deras kopplingar är täta. Enheten kan generera kaotiska signaler över ett brett frekvensspektrum, från hörbara frekvenser till radiobandet (1 kHz till 10 MHz). "Dessutom, det skulle kunna göra det med en ganska låg strömförbrukning, under en miljonedel av watt, "förklarar Dr Hiroyuki Ito, chef för laboratoriet där prototypen designades.

Ännu mer anmärkningsvärt var upptäckten att helt olika typer av signaler kunde genereras beroende på de lite olika egenskaperna hos de enskilda prototyperna (bild 2). Till exempel, forskarna registrerade tåg av spikar som liknar dem som finns i biologiska neuroner. De fann också situationer där ringarna "kämpade mot varandra" till den grad att helt undertrycka deras aktivitet:Detta fenomen kallas "oscillationsdöd".

"Denna krets drar sin skönhet från en riktigt väsentlig form och princip, och enkelhet är nyckeln till att förverkliga stora system som fungerar gemensamt på ett harmoniskt sätt, särskilt när det berikas av små skillnader och brister, såsom de som finns i de realiserade kretsarna, "säger Dr Ludovico Minati, huvudförfattare till studien.

Fyndet har många möjliga tillämpningar. Forskarna kommer att arbeta med att integrera denna krets med sensorer för att mäta kemiska egenskaper i jorden, till exempel. Dessutom, de kommer att skapa nätverk av dessa oscillatorer på enstaka datorchips som är sammankopplade för att likna biologiska neurala kretsar. De hoppas kunna realisera vissa operationer samtidigt som de förbrukar många gånger mindre ström än en traditionell dator.