Un fenómeno que es bien conocido de la teoría del caos se observó en un material por primera vez en la historia, por científicos de la Universidad de Groningen, Los países bajos. Una transición estructural en el titanato de bario material ferroelástico, causado por un aumento o disminución de la temperatura, se asemeja a la duplicación periódica que se observa en los sistemas dinámicos no lineales. Este caos espacial en un material se predijo por primera vez en 1985 y podría usarse en aplicaciones como la electrónica neuromórfica adaptable. Los resultados fueron publicados en Cartas de revisión física el 22 de agosto.

Un equipo de físicos de la Universidad de Groningen, a cargo de la profesora de Nanomateriales Funcionales Beatriz Noheda, hicieron su observación en películas delgadas de titanato de bario (BaTiO ₃ ), un material ferroelástico. Los materiales ferroicos se caracterizan por su estructura ordenada, en forma (ferroelástica), carga (ferroeléctrica) o momento magnético (ferromagnético), por ejemplo. "Estos materiales son siempre cristales en los que los átomos están dispuestos con simetrías características, "Noheda explica.

mellizos

Los dipolos eléctricos o magnéticos están alineados dentro de los dominios de los cristales. "Sin embargo, los dipolos pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo, ya que ambos estados son equivalentes ". Como resultado, los cristales de estos materiales tendrán ambos tipos de dominios. Lo mismo ocurre con los materiales ferroelásticos, más conocido por su memoria de forma. En este caso, sin embargo, la situación es un poco más complicada, Noheda explica:"Las células unitarias de estos cristales se alargan, lo que significa que los dominios de las diferentes celdas unitarias no coinciden fácilmente en forma. Esto crea una tensión elástica que reduce la estabilidad del cristal ".

El cristal puede mejorar la estabilidad de forma natural al formar gemelos de dominios, que están ligeramente inclinados en direcciones opuestas para aliviar el estrés. El resultado es un material en el que estos pares hermanados forman dominios alternos, con una periodicidad fija. El calentamiento provoca un cambio de fase en el material, en el que se altera tanto la dirección como la periodicidad de las paredes del dominio. "La pregunta era cómo se produce este cambio, "dice Noheda.

Paredes de dominio

El aumento de la temperatura aumenta el desorden (entropía) en el material. Por lo tanto, comienza un tira y afloja entre la tendencia intrínseca al orden y la creciente entropía. Este es el proceso que fue observado por primera vez por el equipo de Groningen, utilizando microscopía de fuerza atómica. Al calentar muestras de 25 ° C a 70 ° C, se produce un cambio de fase, alterando la posición de los muros de dominio. Cuando comienza la transición, Las paredes de dominio de la nueva fase aparecen gradualmente y ambas fases existen juntas a temperaturas intermedias (30 ° C a 50 ° C). "Esto no sucede de forma aleatoria, pero por repetidas duplicaciones, "dice Noheda. El enfriamiento del material reduce la periodicidad de los dominios mediante la repetición de la mitad.

"Esta duplicación o reducción a la mitad es bien conocida en los sistemas dinámicos no lineales, cuando están cerca de la transición al comportamiento caótico, "explica Noheda, "Sin embargo, nunca se había observado en dominios espaciales, pero sólo en períodos de tiempo ". La semejanza entre el comportamiento de las películas delgadas y los sistemas no lineales sugiere que el material en sí mismo está al borde del caos durante el calentamiento". Esta es una observación interesante, porque significa que la respuesta del sistema depende en gran medida de las condiciones iniciales. Por lo tanto, podríamos obtener respuestas muy diversas tras un pequeño cambio en estas condiciones ".

Computación neuromórfica

El artículo incluye cálculos teóricos de colegas de la Penn State University (EE. UU.) Y la Universidad de Cambridge (Reino Unido), lo que demuestra que el comportamiento observado en el titanato de bario ferroelástico es genérico para materiales ferroicos. Por lo tanto, un material ferroeléctrico al borde del caos podría dar una respuesta muy diversa en un pequeño rango de voltajes de entrada. "Eso es exactamente lo que quieres, para crear el tipo de respuesta adaptable necesaria para la computación neuromórfica, como la computación de yacimientos, que se beneficia de sistemas no lineales que pueden producir conjuntos de entrada y salida muy diversos ".

El papel en Cartas de revisión física es una prueba de principio, mostrando cómo se puede diseñar un material para que exista al borde del caos, donde es altamente receptivo. Noheda también señala cómo la duplicación de dominios crea una estructura similar a las dendritas bifurcadas que conectan las células piramidales del cerebro. Estas células juegan un papel importante en las capacidades cognitivas. Por último, Los materiales ferroicos al borde del caos pueden usarse para crear sistemas electrónicos similares a cerebros para computación compleja.