Wetenschap
Kunstmatige nanomagneten inspireren mechanische systemen met geheugencapaciteit
Een internationaal onderzoeksteam, waaronder het Los Alamos National Laboratory en de Universiteit van Tel Aviv, heeft een uniek, mechanisch metamateriaal ontwikkeld dat, net als een computer die instructies volgt, de volgorde kan onthouden van de acties die erop worden uitgevoerd. Het nieuwe metamateriaal, genaamd Chaco, naar de archeologische vindplaats in het noorden van New Mexico, biedt een route naar toepassingen in geheugenopslag, robotica en zelfs mechanisch computergebruik.
Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .
"Als je aan een elastiekje trekt en het vervolgens draait, krijg je hetzelfde resultaat alsof je het hebt gedraaid en vervolgens hebt getrokken. Gewone materialen reageren op dezelfde manier op een reeks mechanische manipulaties, ongeacht hun volgorde", zegt Cristiano Nisoli. wetenschapper bij Los Alamos.
"Chaco vertoont echter geschiedenisafhankelijk gedrag en herinnert zich operaties uit het verleden. Dat geheugen is typerend voor magnetische in plaats van mechanische systemen; we hebben Chaco expliciet ontworpen als de mechanische analoog van een nanomagneet, Shakti genaamd. Ons idee was dat Chaco magnetische kon erven geheugeneigenschappen die doorgaans ontbreken in de mechanica."
Ontwerp geïnspireerd op magnetische frustratie
Het concept van frustratie, typisch voor exotische magnetische systemen, inspireerde Chaco's ontwerp en ondersteunt de geheugeneigenschappen ervan. Door geometrische frustratie kan worden voorkomen dat magneten een eenvoudige, geordende toestand bereiken als hun magnetische momenten strategisch zijn ontworpen. Op dezelfde manier zijn de driedimensionale bouwstenen van Chaco op incompatibele manieren gerangschikt, waardoor ze niet gemakkelijk in een geordende, energiezuinige configuratie terecht kunnen komen.
"Deze regeling genereert een groot aantal interne toestanden, waarin het geheugen kan worden gecodeerd", zegt Chaviva Sirote-Katz, promovendus aan de Universiteit van Tel Aviv.
Chaco is ontworpen op de theoretische afdeling van Los Alamos en gerealiseerd aan de Universiteit van Tel Aviv. Nisoli stelde het vroege ontwerp voor door te putten uit zijn ervaring met het ontwerpen van gefrustreerde kunstmatige nanomagneten. Carl Merrigan en Yair Shokef, van de Universiteit van Tel Aviv, voltooiden het ontwerp tijdens een bezoek aan het Center for Nonlinear Studies in Los Alamos. De groep had zich gerealiseerd dat de wiskundige onderbouwing van magnetische frustratie zou kunnen worden overgedragen op de metamechanica, met een vergelijkbare exotische fenomenologie.
Hoe herkent Chaco een reeks handelingen? De sleutel is de niet-Abeliaanse aard van het materiaal, wat betekent dat de volgorde van bewerkingen essentieel is voor de reactie van het materiaal.
"Dit materiaal is als een mechanisch geheugenopslagapparaat dat een reeks invoergegevens kan onthouden", zegt Dor Shohat, een doctoraalstudent aan de Universiteit van Tel Aviv in de groep van Yoav Lahini.
"Elk van zijn mechanische bouwstenen heeft twee stabiele toestanden, net als een enkel bit magnetisch geheugen. Het omdraaien van twee eenheden in het materiaal kan tot één eindtoestand leiden, maar het omdraaien van die twee eenheden in de omgekeerde volgorde zou tot een andere eindtoestand leiden. ."
Informatie coderen in de volgorde van acties
De onderzoekers gebruikten deze mogelijkheid om informatie in de reeks acties te coderen. Door de eindtoestand van het materiaal te observeren, wordt de informatie opgehaald.
"Het gebied van de metamechanica belooft nieuwe, slimme materialen door hun ontwerp", zei Nisoli. "In de Theoretische divisie hadden we iets soortgelijks gedaan door nieuwe nanomagneten te ontwerpen. En nu, door mechanische materialen te doordrenken met de exotische eigenschappen en functionaliteiten die met magneten gepaard gaan, hebben we een nieuwe ontwerprichting in de metamechanica geopend."