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(xiàn)象，鐵彈性材料鈦酸鋇中由溫度升高或降低引起結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變類似于非線性動力系統(tǒng)中的周期性加倍。材料中的這種“空間混沌”是在1985年首次被預(yù)測，可用于適應(yīng)性神經(jīng)形態(tài)電子學等應(yīng)用，其研究成果發(fā)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(lǐng)導，在鐵彈性材料鈦酸鋇(BaTiO3)薄膜中進行了觀察。

鐵質(zhì)材料特征是它們的有序結(jié)構(gòu)，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(nèi)排列。但是，偶極子可以向上或向下指向，因為兩種狀態(tài)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，情況有點復雜：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(qū)域在形狀上不容易匹配。

這產(chǎn)生了彈性應(yīng)變，降低了晶體的穩(wěn)定性。晶體可以通過形成疇的孿晶來自然地提高穩(wěn)定性，疇的孿晶在相反方向上略微傾斜以減輕應(yīng)力。結(jié)果是一種材料，其中這些孿生對形成交替的疇，具有固定的周期性。加熱引起材料的相變，其中疇壁的方向和周期性都被改變，問題是這種變化是如何發(fā)生的？提高溫度會增加材料中的無序(熵)，因此，在內(nèi)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(fā)生相變，改變疇壁的位置。當轉(zhuǎn)變開始時，新相的疇壁逐漸出現(xiàn)，并且兩個相在中溫(30°C至50°C)下共存，這不是隨機發(fā)生的，而是通過反復加倍，冷卻材料通過重復半切減少了疇的周期性。當接近向混沌行為的過渡時，這種倍增或減半現(xiàn)象在非線性動力系統(tǒng)中是眾所周知的，然而從未在空間域中被觀察到，而只在時間周期中被觀察到。薄膜的行為和非線性系統(tǒng)之間的相似性表明，材料本身在加熱過程中處于混沌的邊緣。

這是一個有趣的觀察，因為它意味著系統(tǒng)的響應(yīng)高度依賴于初始條件。因此，在這些條件發(fā)生微小變化后，可以得到非常不同的響應(yīng)。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，對于鐵質(zhì)材料是通用的。因此，處于混沌邊緣的鐵電材料可以在很小輸入電壓范圍內(nèi)給出高度不同的響應(yīng)。這正是我們想要的，創(chuàng)造神經(jīng)形態(tài)計算所需的適應(yīng)性反應(yīng)類型。

例如水庫計算，受益于可以產(chǎn)生高度多樣化的輸入-輸出集的非線性系統(tǒng)。《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(shè)計成存在于混沌的邊緣，在那里它具有高度的響應(yīng)性。Noheda還指出，結(jié)構(gòu)域的加倍如何創(chuàng)造出類似于連接大腦中金字塔細胞的分叉樹突結(jié)構(gòu)。這些細胞在認知能力中起著重要作用。最終，處于混沌邊緣的鐵質(zhì)材料可能被用來為復雜的計算創(chuàng)造類似電子大腦系統(tǒng)。

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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