Een fenomeen dat bekend is uit de chaostheorie werd voor het eerst waargenomen in een materiaal, door wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen, Nederland. Een structurele overgang in het ferro-elastische materiaal bariumtitanaat, veroorzaakt door een stijging of daling van de temperatuur, lijkt op de periodieke verdubbeling die wordt gezien in niet-lineaire dynamische systemen. Deze ruimtelijke chaos in een materiaal werd voor het eerst voorspeld in 1985 en zou kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals aanpasbare neuromorfische elektronica. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 22 augustus.

Een team van natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen, onder leiding van hoogleraar Functionele Nanomaterialen Beatriz Noheda, deden hun waarneming in dunne films van bariumtitanaat (BaTiO ₃ ), een ferro-elastisch materiaal. Ferroïsche materialen worden gekenmerkt door hun geordende structuur, in vorm (ferro-elastisch), lading (ferro-elektrisch) of magnetisch moment (ferromagnetisch), bijvoorbeeld. "Deze materialen zijn altijd kristallen waarin de atomen zijn gerangschikt met karakteristieke symmetrieën, ' legt Noheda uit.

Tweelingen

Elektrische of magnetische dipolen zijn uitgelijnd binnen domeinen in de kristallen. "Echter, de dipolen kunnen naar boven of naar beneden wijzen, aangezien beide staten gelijkwaardig zijn." Als gevolg hiervan, kristallen van deze materialen zullen beide soorten domeinen hebben. Hetzelfde geldt voor ferro-elastische materialen, vooral bekend om hun vormgeheugen. In dit geval, echter, de situatie is iets gecompliceerder, Noheda legt uit:"De eenheidscellen in deze kristallen zijn langwerpig, wat betekent dat domeinen van de verschillende eenheidscellen niet gemakkelijk qua vorm overeenkomen. Dit zorgt voor een elastische spanning die de kristalstabiliteit vermindert."

Het kristal kan de stabiliteit op natuurlijke wijze verbeteren door een tweeling van domeinen te vormen, die enigszins in tegengestelde richtingen zijn gekanteld om de stress te verlichten. Het resultaat is een materiaal waarin deze tweelingparen afwisselende domeinen vormen, met een vaste periodiciteit. Verwarming veroorzaakt een faseverandering in het materiaal, waarbij zowel de richting als de periodiciteit van de domeinmuren wordt gewijzigd. "De vraag was hoe deze verandering plaatsvindt, ' zegt Noheda.

Domein muren

Het verhogen van de temperatuur verhoogt de wanorde (entropie) in het materiaal. Dus, een touwtrekken begint tussen de intrinsieke neiging tot orde en de toenemende entropie. Het is dit proces dat voor het eerst werd waargenomen door het Groningse team, met behulp van atoomkrachtmicroscopie. Bij verhitting van monsters van 25 °C tot 70 °C, er vindt een faseovergang plaats, het veranderen van de positie van domeinmuren. Als de overgang begint, domeinwanden van de nieuwe fase verschijnen geleidelijk en beide fasen bestaan ​​samen bij tussenliggende temperaturen (30 ° C tot 50 ° C). "Dit gebeurt niet zomaar, maar door herhaalde verdubbeling, ", zegt Noheda. Door het materiaal te koelen wordt de periodiciteit van de domeinen verminderd door herhaaldelijk te halveren.

"Deze verdubbeling of halvering is bekend in niet-lineaire dynamische systemen, wanneer ze dicht bij de overgang naar chaotisch gedrag zijn, " legt Noheda uit, "Echter, het was nog nooit waargenomen in ruimtelijke domeinen, maar alleen in tijdsperioden." De overeenkomst tussen het gedrag van de dunne films en niet-lineaire systemen suggereert dat het materiaal zelf aan de rand van chaos is tijdens verhitting. "Dit is een interessante observatie, omdat het betekent dat de respons van het systeem sterk afhankelijk is van de beginvoorwaarden. Dus, we konden zeer uiteenlopende reacties krijgen na een kleine verandering in deze omstandigheden."

Neuromorf computergebruik

Het artikel bevat theoretische berekeningen van collega's van de Penn State University (VS) en de Universiteit van Cambridge (VK), waaruit blijkt dat het gedrag dat wordt waargenomen in het ferro-elastische bariumtitanaat generiek is voor ferro-materialen. Dus, een ferro-elektrisch materiaal aan de rand van chaos zou een zeer diverse respons kunnen geven over een klein bereik van ingangsspanningen. "Dat is precies wat je wilt, om het type aanpasbare respons te creëren dat nodig is voor neuromorfisch computergebruik, zoals reservoirberekening, die profiteert van niet-lineaire systemen die zeer diverse input-output sets kunnen produceren."

het papier binnen Fysieke beoordelingsbrieven is een bewijs van principe, laten zien hoe een materiaal kan worden ontworpen om aan de rand van chaos te bestaan, waar het zeer responsief is. Noheda wijst er ook op hoe de verdubbeling van domeinen een structuur creëert die lijkt op de vertakte dendrieten die de piramidale cellen in de hersenen verbinden. Deze cellen spelen een belangrijke rol bij cognitieve vermogens. uiteindelijk, ferro-materialen aan de rand van chaos kunnen worden gebruikt om elektronische hersenachtige systemen te creëren voor complexe computers.