Um fenômeno que é bem conhecido da teoria do caos foi observado em um material pela primeira vez, por cientistas da Universidade de Groningen, Os Países Baixos. Uma transição estrutural no titanato de bário, material ferroelástico, causado por um aumento ou diminuição da temperatura, assemelha-se à duplicação periódica observada em sistemas dinâmicos não lineares. Este caos espacial em um material foi previsto pela primeira vez em 1985 e poderia ser usado em aplicações como a eletrônica neuromórfica adaptável. Os resultados foram publicados em Cartas de revisão física em 22 de agosto.

Uma equipe de físicos da Universidade de Groningen, liderado pela Professora de Nanomateriais Funcionais Beatriz Noheda, fizeram sua observação em filmes finos de titanato de bário (BaTiO ₃ ), um material ferroelástico. Os materiais ferroicos são caracterizados por sua estrutura ordenada, em forma (ferroelástica), carga (ferroelétrica) ou momento magnético (ferromagnético), por exemplo. "Esses materiais são sempre cristais em que os átomos estão dispostos com simetrias características, "Noheda explica.

gêmeos

Os dipolos elétricos ou magnéticos estão alinhados dentro dos domínios dos cristais. "Contudo, os dipolos podem estar apontando para cima ou para baixo, já que os dois estados são equivalentes. "Como resultado, os cristais desses materiais terão os dois tipos de domínios. O mesmo vale para materiais ferroelásticos, mais conhecido por sua memória de forma. Nesse caso, Contudo, a situação é um pouco mais complicada, Noheda explica:"As células unitárias desses cristais são alongadas, o que significa que os domínios das diferentes células unitárias não combinam facilmente em forma. Isso cria uma tensão elástica que reduz a estabilidade do cristal. "

O cristal pode melhorar a estabilidade naturalmente, formando gêmeos de domínios, que são ligeiramente inclinados em direções opostas para aliviar o estresse. O resultado é um material em que esses pares gêmeos formam domínios alternados, com uma periodicidade fixa. O aquecimento causa uma mudança de fase no material, em que a direção e a periodicidade das paredes do domínio são alteradas. "A questão era como essa mudança ocorre, "diz Noheda.

Paredes de domínio

O aumento da temperatura aumenta a desordem (entropia) do material. Assim, um cabo de guerra começa entre a tendência intrínseca para a ordem e o aumento da entropia. É esse processo que foi observado pela primeira vez pela equipe de Groningen, usando microscopia de força atômica. Ao aquecer amostras de 25 ° C a 70 ° C, ocorre uma mudança de fase, alterando a posição das paredes do domínio. Quando a transição começa, as paredes de domínio da nova fase aparecem gradualmente e ambas as fases existem juntas em temperaturas intermediárias (30 ° C a 50 ° C). "Isso não acontece de forma aleatória, mas por duplicação repetida, "diz Noheda. O resfriamento do material reduz a periodicidade dos domínios por repetidas reduções pela metade.

"Essa duplicação ou redução pela metade é bem conhecida em sistemas dinâmicos não lineares, quando eles estão próximos da transição para um comportamento caótico, "explica Noheda, "Contudo, nunca tinha sido observado em domínios espaciais, mas apenas em períodos de tempo. "A semelhança entre o comportamento das películas finas e os sistemas não lineares sugere que o próprio material está à beira do caos durante o aquecimento." Esta é uma observação interessante, porque significa que a resposta do sistema é altamente dependente das condições iniciais. Assim, poderíamos obter respostas muito diversas após uma pequena mudança nessas condições. "

Computação neuromórfica

O artigo inclui cálculos teóricos de colegas da Penn State University (EUA) e da Universidade de Cambridge (Reino Unido), que mostram que o comportamento observado no titanato de bário ferroelástico é genérico para materiais ferroicos. Assim, um material ferroelétrico à beira do caos poderia dar uma resposta altamente diversa em uma pequena faixa de tensões de entrada. "Isso é exatamente o que você quer, para criar o tipo de resposta adaptável necessária para a computação neuromórfica, como a computação de reservatório, que se beneficia de sistemas não lineares que podem produzir conjuntos de entrada-saída altamente diversos. "

O papel em Cartas de revisão física é uma prova de princípio, mostrando como um material pode ser projetado para existir à beira do caos, onde é altamente responsivo. Noheda também aponta como a duplicação dos domínios cria uma estrutura semelhante aos dendritos bifurcados que conectam as células piramidais do cérebro. Essas células desempenham um papel importante nas habilidades cognitivas. Em última análise, materiais ferroicos à beira do caos podem ser usados ​​para criar sistemas eletrônicos semelhantes aos do cérebro para computação complexa.