Un fenomeno ben noto dalla teoria del caos è stato osservato per la prima volta in un materiale, da scienziati dell'Università di Groningen, Paesi Bassi. Una transizione strutturale nel materiale ferroelastico titanato di bario, causato da un aumento o una diminuzione della temperatura, assomiglia al raddoppio periodico visto nei sistemi dinamici non lineari. Questo caos spaziale in un materiale è stato previsto per la prima volta nel 1985 e potrebbe essere utilizzato in applicazioni come l'elettronica neuromorfa adattabile. I risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica il 22 agosto.

Un team di fisici dell'Università di Groningen, guidato dal Professore di Nanomateriali Funzionali Beatriz Noheda, hanno fatto la loro osservazione in film sottili di titanato di bario (BaTiO ₃ ), un materiale ferroelastico. I materiali ferroici sono caratterizzati dalla loro struttura ordinata, in forma (ferroelastico), carica (ferroelettrica) o momento magnetico (ferromagnetico), Per esempio. "Questi materiali sono sempre cristalli in cui gli atomi sono disposti con caratteristiche simmetrie, "Spiega Noheda.

Gemelli

I dipoli elettrici o magnetici sono allineati all'interno di domini nei cristalli. "Però, i dipoli potrebbero essere rivolti verso l'alto o verso il basso, poiché entrambi gli stati sono equivalenti." Di conseguenza, i cristalli di questi materiali avranno entrambi i tipi di domini. Lo stesso vale per i materiali ferroelastici, più noti per la loro memoria di forma. In questo caso, però, la situazione è un po' più complicata Noheda spiega:"Le celle unitarie in questi cristalli sono allungate, il che significa che i domini delle diverse celle unitarie non corrispondono facilmente nella forma. Questo crea una deformazione elastica che riduce la stabilità dei cristalli".

Il cristallo può migliorare la stabilità in modo naturale formando gemelli di domini, leggermente inclinate in direzioni opposte per alleviare lo stress. Il risultato è un materiale in cui queste coppie gemellate formano domini alternati, con periodicità fissa. Il riscaldamento provoca un cambiamento di fase nel materiale, in cui viene alterata sia la direzione che la periodicità delle pareti del dominio. "La domanda era come avviene questo cambiamento, "dice Noheda.

Muri di dominio

Aumentando la temperatura aumenta il disordine (entropia) nel materiale. Così, inizia un tiro alla fune tra la tendenza intrinseca all'ordine e l'aumento dell'entropia. È questo processo che è stato osservato per la prima volta dal team di Groningen, utilizzando la microscopia a forza atomica. Quando si riscaldano campioni da 25 °C a 70 °C, avviene un cambiamento di fase, alterare la posizione delle pareti del dominio. Quando inizia la transizione, le pareti di dominio della nuova fase appaiono gradualmente ed entrambe le fasi coesistono a temperature intermedie (da 30 °C a 50 °C). "Questo non accade in modo casuale, ma con ripetuti raddoppi, " dice Noheda. Il raffreddamento del materiale riduce la periodicità dei domini dimezzando ripetutamente.

"Questo raddoppio o dimezzamento è ben noto nei sistemi dinamici non lineari, quando sono vicini alla transizione verso un comportamento caotico, " spiega Noheda, "Però, non era mai stato osservato in domini spaziali, ma solo in periodi di tempo." La somiglianza tra il comportamento dei film sottili e i sistemi non lineari suggerisce che il materiale stesso è al limite del caos durante il riscaldamento. "Questa è un'osservazione interessante, perché significa che la risposta del sistema è fortemente dipendente dalle condizioni iniziali. Così, potremmo ottenere risposte molto diverse a seguito di un piccolo cambiamento in queste condizioni".

Calcolo neuromorfo

Il documento include calcoli teorici dei colleghi della Penn State University (USA) e dell'Università di Cambridge (Regno Unito), che mostrano che il comportamento osservato nel titanato di bario ferroelastico è generico per i materiali ferroici. Così, un materiale ferroelettrico ai margini del caos potrebbe dare una risposta molto diversificata su una piccola gamma di tensioni di ingresso. "Questo è esattamente quello che vuoi, per creare il tipo di risposta adattabile necessaria per il calcolo neuromorfo, come il calcolo del serbatoio, che beneficia di sistemi non lineari in grado di produrre insiemi input-output altamente diversificati".

La carta in Lettere di revisione fisica è una prova di principio, mostrando come un materiale può essere progettato per esistere ai margini del caos, dove è altamente reattivo. Noheda sottolinea anche come il raddoppio dei domini crei una struttura simile ai dendriti biforcati che collegano le cellule piramidali nel cervello. Queste cellule svolgono un ruolo importante nelle capacità cognitive. In definitiva, i materiali ferroici ai margini del caos possono essere utilizzati per creare sistemi elettronici simili a cervelli per l'elaborazione complessa.