Ett fenomen som är välkänt från kaosteorin observerades i ett material för första gången någonsin, av forskare från University of Groningen, Nederländerna. En strukturell övergång i det ferroelastiska materialet bariumtitanat, orsakad av en ökning eller minskning av temperaturen, liknar den periodiska fördubblingen som ses i icke-linjära dynamiska system. Detta rumsliga kaos i ett material förutspåddes först 1985 och kunde användas i applikationer som anpassningsbar neuromorf elektronik. Resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev den 22 augusti.

Ett team av fysiker vid University of Groningen, ledd av professor i funktionella nanomaterial Beatriz Noheda, gjorde sin observation i tunna filmer av bariumtitanat (BaTiO ₃ ), ett ferroelastiskt material. Ferromaterial kännetecknas av sin ordnade struktur, i form (ferroelastisk), laddning (ferroelektrisk) eller magnetiskt moment (ferromagnetiskt), till exempel. "Dessa material är alltid kristaller där atomerna är arrangerade med karakteristiska symmetrier, "Förklarar Noheda.

tvillingar

Elektriska eller magnetiska dipoler är inriktade inom domäner i kristallerna. "Dock, dipolerna kan peka uppåt eller nedåt, eftersom båda staterna är likvärdiga. "Som ett resultat, kristaller av dessa material kommer att ha båda typerna av domäner. Detsamma gäller ferroelastiska material, mest känd för sitt formminne. I detta fall, dock, situationen är lite mer komplicerad, Noheda förklarar:"Enhetscellerna i dessa kristaller är långsträckta, vilket innebär att domäner i de olika enhetscellerna inte lätt matchar i form. Detta skapar en elastisk töjning som minskar kristallstabiliteten. "

Kristallen kan förbättra stabiliteten naturligt genom att bilda tvillingar av domäner, som lutar något i motsatta riktningar för att lindra spänningen. Resultatet är ett material där dessa tvinnade par bildar alternerande domäner, med en fast periodicitet. Uppvärmning orsakar en fasförändring i materialet, där både riktningen och periodiciteten hos domänväggarna ändras. "Frågan var hur denna förändring sker, säger Noheda.

Domänväggar

Att öka temperaturen ökar störningen (entropin) i materialet. Således, en dragkamp börjar mellan den inneboende tendensen till ordning och den ökande entropin. Det är denna process som observerades för första gången av Groningen -teamet, med hjälp av atomkraftmikroskopi. Vid uppvärmning av prover från 25 ° C till 70 ° C, en fasförändring sker, ändra positionen för domänväggar. När övergången startar, domänväggarna i den nya fasen uppträder gradvis och båda faserna existerar tillsammans vid mellantemperaturer (30 ° C till 50 ° C). "Det här händer inte på ett slumpmässigt sätt, men genom upprepad fördubbling, "säger Noheda. Kylning av materialet minskar domänernas periodicitet genom upprepad halvering.

"Denna fördubbling eller halvering är välkänd i icke-linjära dynamiska system, när de är nära övergången till kaotiskt beteende, "förklarar Noheda, "Dock, det hade aldrig observerats i rumsliga områden, men bara i tidsperioder. "Likheten mellan de tunna filmernas beteende och icke-linjära system tyder på att materialet i sig är i utkanten av kaos under uppvärmning." Detta är en intressant observation, eftersom det betyder att systemets respons är mycket beroende av initiala förhållanden. Således, Vi kan få mycket olika svar efter en liten förändring av dessa förhållanden. "

Neuromorf beräkning

Papperet innehåller teoretiska beräkningar från kollegor vid Penn State University (US) och University of Cambridge (UK), som visar att beteendet som observeras i ferroelastiskt bariumtitanat är generiskt för ferroiska material. Således, ett ferroelektriskt material vid kaoskanten kan ge ett mycket varierat svar över ett litet intervall av ingångsspänningar. "Det är precis vad du vill, för att skapa den typ av anpassningsbart svar som behövs för neuromorf beräkning, såsom reservoarberäkning, som drar nytta av icke-linjära system som kan producera mycket olika input-output-uppsättningar. "

Papperet i Fysiska granskningsbrev är ett principbevis, visar hur ett material kan utformas för att existera vid kaosets kant, där det är mycket lyhörd. Noheda påpekar också hur fördubblingen av domäner skapar en struktur som liknar de splittrande dendriterna som förbinder de pyramidala cellerna i hjärnan. Dessa celler spelar en viktig roll för kognitiva förmågor. I sista hand, ferromaterial på kanten av kaos kan användas för att skapa elektroniska hjärnliknande system för komplex beräkning.