强大的新电子产品可以在混乱的边缘创造出来

时间：2021-08-28 12:52:13 来源：

研究表明，铁质材料可用于制造适应性神经形态电子学。

荷兰格罗宁根大学的科学家首次在一种材料中观察到一种从混沌理论中众所周知的现象。温度升高或降低引起的铁弹性材料钛酸钡的结构转变类似于非线性动力系统中的周期性倍增。材料中的这种“空间混乱”是在1985年首次预测的，可用于诸如适应性神经形态电子学等应用中。结果发表在2019年8月22日的《物理评论快报》上。

在功能纳米材料教授Beatriz Noheda的带领下，格罗宁根大学的一组物理学家在铁弹性材料钛酸钡（BaTiO3）薄膜中进行了观察。铁质材料的特征在于其有序结构，例如形状（铁弹性），电荷（铁电）或磁矩（铁磁）。诺埃达解释说：“这些材料总是晶体，原子以特征性的对称性排列。”

这是功能纳米材料Beatriz Noheda教授。

电或磁偶极在晶体的畴内排列。‘但是，偶极子可能朝上或朝下，因为两种状态是相等的。’结果，这些材料的晶体将具有两种类型的畴。铁弹性材料的形状记忆也是如此。但是，在这种情况下，情况要复杂一些，Noheda解释说：‘这些晶体中的晶胞被拉长了，这意味着不同晶胞的畴在形状上不容易匹配。这会产生降低晶体稳定性的弹性应变。’

稳定

晶体可以通过形成畴的双胞胎自然地提高稳定性，该畴双胞胎在相反的方向上稍微倾斜以减轻应力。结果是一种材料，其中这些成对的双绞线以固定的周期形成交替的畴。加热会导致材料发生相变，从而改变畴壁的方向和周期性。诺德说：“问题是这种变化是如何发生的。”

钛酸钡中的畴壁在升高的温度下（请注意不同的比例）。

温度升高会增加材料的无序性（熵）。因此，拉锯战开始于秩序的内在趋势与熵的增加之间。格罗宁根团队使用原子力显微镜首次观察到了这一过程。当将样品从25 C°加热到70° C时，会发生相变，从而改变畴壁的位置。当过渡开始时，新相的畴壁逐渐出现，并且两个相在中间温度（30到50℃）°下同时存°在。诺埃达说：“这不是随机发生的，而是反复加倍。”冷却材料可通过重复减半来降低磁畴的周期性。

混乱

Noheda解释说：“加倍或减半在非线性动力系统中已接近混沌行为的过渡，这是众所周知的，但是，它从未在空间域中被观察到，而只是在一段时间内才被观察到。”薄膜的行为与非线性系统之间的相似之处表明，材料本身在加热过程中处于混乱的边缘。‘这是一个有趣的观察，因为这意味着系统的响应高度依赖于初始条件。因此，在这些条件发生微小变化后，我们可能会获得非常直觉的回应。’

钛酸钡材料（左）中的结构域加倍与分支锥体神经元之间的相似性。

包括宾夕法尼亚州立大学（美国）和剑桥大学（英国）的同事进行的理论计算，结果表明，铁弹性钛酸钡中观察到的行为是铁质材料的通用特性。因此，处于混沌边缘的铁电材料可以在很小的输入电压范围内提供高度的脉冲响应。‘这正是您想要的，以创建神经形态计算所需的适应性响应类型，例如储层计算，这得益于非线性系统，该系统可以产生高度逼真的输入/输出集。

脑

《 Physical Review Letters》中的论文是原理的证明，显示了如何设计材料以使其在响应迅速的混沌边缘存在。Noheda还指出，域的加倍如何形成类似于连接大脑锥体细胞的分叉树突的结构。这些细胞在认知能力中起重要作用。最终，混乱边缘的铁性材料可用于创建类似于复杂电子设备的类似于大脑的电子系统。

参考：“周期性加倍级联：《铁弹性材料的直接观察》，作者：阿诺德·S·埃弗哈特，西尔维娅·达默里奥，雅各布·A·佐恩，周兰朗，诺伊斯·多明戈，古斯塔乌·加泰罗尼亚语，埃卡德·K·萨利耶，陈龙庆和比阿特丽斯·诺埃达，2019年8月22日，《物理评论快报》。DOI：10.1103 / PhysRevLett.123.087603

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