Найден первый материал, в котором проявляется феномен «пространственного хаоса»

Этот феномен был предсказан еще в 1985. Но лишь теперь ученые из Нидерландов выявили его в материале — сегнетоэластическом титанате бария. Его можно будет использовать для производства адаптивной нейроморфной электроники.

Группа физиков из Университета Гронингена впервые наблюдала структурный переход в тонком слое титаната бария (BaTiO3). Он принадлежит к сегнетоэластичным материалам, которые характеризуются упорядоченной структурой, формой, зарядом или магнитным импульсом. Эти материалы — всегда кристаллы, в которых атомы упорядочены с определенными симметриями, объясняют ученые.

Электрические или магнитные диполи упорядочены внутри доменов кристаллов. Однако, диполи могут быть направлены вверх или вниз, поскольку оба этих состояния эквивалентны. В результате кристаллы этих материалов обладают обоими типами доменов. То же самое относится и к сегнетоэластичным материалам, сохраняющим память формы.

В данном случае, правда, ситуация немного сложнее: отдельные ячейки в этих кристаллах вытянуты, то есть домены различных ячеек не всегда совпадают по форме. Это создает эластическое напряжение, которое снижает стабильность кристалла, пишет Science Daily.

Кристалл может вернуть себе стабильность естественным путем, сформировав двойников доменов, которые будут слегка скошены в противоположном направлении. В результате появляется материал, в котором эти двойниковые пары образуют переменные домены с фиксированной периодичностью.

Нагревание вызывает в них изменение фазы, при котором меняется и направление, и периодичность доменных стенок.

Ученых заинтересовал вопрос, как именно происходит это изменение. Повышение температуры увеличивает и энтропию в материале. Так начинается «перетягивание каната» между склонностью к порядку и нарастающей энтропией. Этот процесс и наблюдали в первый раз ученые из Гронингена через атомно-силовой микроскоп.

При нагревании образцов с 25 °C до 70 °C происходит фазовый переход, который меняет положение доменных стенок. Когда он начинается, стенки новой фазы появляются постепенно, и обе фазы существуют одновременно, пока температура находится в диапазоне от 30 °C до 50 °C.

«Это происходит не случайным образом, а через повторное дублирование, как у нелинейных динамических систем, когда они близки к переходу к хаотическому поведению, — рассказывает профессор Беатрис Наеда. — Однако этого никогда не наблюдали в пространственных доменах».

Сходство между поведением тонкопленочных и нелинейных систем подразумевает, что сам материал находится на пороге хаоса во время нагревания. Это означает, что реакция системы сильно зависит от изначальных условий.

В журнале Physical Review Letters исследователи опубликовали концепцию, которая показывает, как можно создать материал, находящийся на пороге хаоса, когда он наиболее поддается воздействию. Профессор Ноеда указывает также, что удвоение доменов создает структуру, схожую с раздваивающимися дендритами, соединяющими пирамидальные клетки мозга. По ее мнению, ферроики на пороге хаоса можно будет использовать для создания электронных нейроморфных систем, пригодных для сложных вычислений.

Квантовый материал для создания нейроморфных процессоров разработали в США год назад. Речь идет о никелате самария, перовските с уникальными свойствами, которые можно использовать для производства проводников нового типа, а также искусственных синапсов.