格羅寧根大學科學家首次在一種材料中觀察到了一種混沌理論中廣為人知的現象，鐵彈性材料鈦酸鋇中由溫度升高或降低引起結構轉變類似於非線性動力系統中的週期性加倍。材料中的這種“空間混沌”是在1985年首次被預測，可用於適應性神經形態電子學等應用，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。格羅寧根大學一個物理學家團隊，由功能納米材料教授Beaterz Noheda領導，在鐵彈性材料鈦酸鋇(BaTiO3)薄膜中進行了觀察。
鐵質材料特徵是它們的有序結構，例如形狀(鐵彈性)、電荷(鐵電)或磁矩(鐵磁)。“這些材料總是晶體，其中的原子以特有的對稱性排列。電偶極子或磁偶極子在晶體中的疇內排列。但是，偶極子可以向上或向下指向，因為兩種狀態是等效的。
因此，這些材料的晶體將具有兩種類型的疇。鐵彈性材料也是如此，最著名的是形狀記憶。然而，在這種情況下，情況有點複雜：這些晶體中單位晶胞是被拉長的，這意味著不同單位晶胞的區域在形狀上不容易匹配。
這產生了彈性應變，降低了晶體的穩定性。晶體可以通過形成疇的孿晶來自然地提高穩定性，疇的孿晶在相反方向上略微傾斜以減輕應力。結果是一種材料，其中這些孿生對形成交替的疇，具有固定的週期性。加熱引起材料的相變，其中疇壁的方向和週期性都被改變，問題是這種變化是如何發生的？提高溫度會增加材料中的無序(熵)，因此，在內在的秩序傾向和不斷增加的熵之間開始了一場拔河。正是這個過程第一次被Groningen團隊用原子力顯微鏡觀察到。
當樣品從25°C加熱到70°C時，會發生相變，改變疇壁的位置。當轉變開始時，新相的疇壁逐漸出現，並且兩個相在中溫(30°C至50°C)下共存，這不是隨機發生的，而是通過反覆加倍，冷卻材料通過重複半切減少了疇的週期性。當接近向混沌行為的過渡時，這種倍增或減半現象在非線性動力系統中是眾所周知的，然而從未在空間域中被觀察到，而只在時間週期中被觀察到。薄膜的行為和非線性系統之間的相似性表明，材料本身在加熱過程中處於混沌的邊緣。
這是一個有趣的觀察，因為它意味著系統的響應高度依賴於初始條件。因此，在這些條件發生微小變化後，可以得到非常不同的響應。這篇研究論文包括來自賓夕法尼亞州立大學和劍橋大學研究人員的理論計算，這些計算表明在鐵彈性鈦酸鋇中觀察到的行為，對於鐵質材料是通用的。因此，處於混沌邊緣的鐵電材料可以在很小輸入電壓範圍內給出高度不同的響應。這正是我們想要的，創造神經形態計算所需的適應性反應類型。
例如水庫計算，受益於可以產生高度多樣化的輸入-輸出集的非線性系統。《物理評論快報》上這篇研究論文是對原理的證明，展示了一種材料如何被設計成存在於混沌的邊緣，在那裡它具有高度的響應性。Noheda還指出，結構域的加倍如何創造出類似於連接大腦中金字塔細胞的分叉樹突結構。這些細胞在認知能力中起著重要作用。最終，處於混沌邊緣的鐵質材料可能被用來為複雜的計算創造類似電子大腦系統。
博科園｜研究/來自：格羅寧根大學
參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.087603
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