Un phénomène bien connu de la théorie du chaos a été observé dans un matériau pour la première fois, par des scientifiques de l'Université de Groningue, les Pays-Bas. Une transition structurelle dans le matériau ferroélastique titanate de baryum, causée par une augmentation ou une diminution de la température, ressemble au doublement périodique observé dans les systèmes dynamiques non linéaires. Ce chaos spatial dans un matériau a été prédit pour la première fois en 1985 et pourrait être utilisé dans des applications telles que l'électronique neuromorphique adaptable. Les résultats ont été publiés dans Lettres d'examen physique le 22 août.

Une équipe de physiciens de l'Université de Groningue, dirigé par le professeur de nanomatériaux fonctionnels Beatriz Noheda, ont fait leur observation dans des films minces de titanate de baryum (BaTiO 3 ), un matériau ferroélastique. Les matériaux ferroïques se caractérisent par leur structure ordonnée, en forme (ferroélastique), charge (ferroélectrique) ou moment magnétique (ferromagnétique), par exemple. "Ces matériaux sont toujours des cristaux dans lesquels les atomes sont disposés avec des symétries caractéristiques, " explique Nohéda.

jumeaux

Les dipôles électriques ou magnétiques sont alignés dans les domaines des cristaux. "Toutefois, les dipôles peuvent être pointés vers le haut ou vers le bas, car les deux états sont équivalents. les cristaux de ces matériaux auront les deux types de domaines. Il en va de même pour les matériaux ferroélastiques, surtout connus pour leur mémoire de forme. Dans ce cas, cependant, la situation est un peu plus compliquée, Noheda explique :« Les cellules unitaires de ces cristaux sont allongées, ce qui signifie que les domaines des différentes cellules unitaires ne correspondent pas facilement en forme. Cela crée une contrainte élastique qui réduit la stabilité du cristal."

Le cristal peut améliorer la stabilité naturellement en formant des jumeaux de domaines, qui sont légèrement inclinés dans des directions opposées pour soulager le stress. Le résultat est un matériau dans lequel ces paires jumelées forment des domaines alternés, avec une périodicité fixe. Le chauffage provoque un changement de phase dans le matériau, dans lequel la direction et la périodicité des parois du domaine sont modifiées. "La question était de savoir comment ce changement s'opère, " dit Nohéda.

Murs de domaine

L'augmentation de la température augmente le désordre (entropie) dans le matériau. Ainsi, un bras de fer commence entre la tendance intrinsèque à l'ordre et l'entropie croissante. C'est ce processus qui a été observé pour la première fois par l'équipe de Groningen, en utilisant la microscopie à force atomique. Lors du chauffage des échantillons de 25 °C à 70 °C, un changement de phase a lieu, modifier la position des murs de domaine. Lorsque la transition commence, les parois du domaine de la nouvelle phase apparaissent progressivement et les deux phases existent ensemble à des températures intermédiaires (30 °C à 50 °C). "Cela n'arrive pas au hasard, mais par doublage répété, " dit Noheda. Le refroidissement du matériau réduit la périodicité des domaines par des réductions de moitié répétées.

"Ce doublement ou halving est bien connu dans les systèmes dynamiques non linéaires, lorsqu'ils sont proches de la transition vers un comportement chaotique, " explique Noheda, "Toutefois, il n'avait jamais été observé dans les domaines spatiaux, mais seulement dans les périodes de temps." La ressemblance entre le comportement des films minces et des systèmes non linéaires suggère que le matériau est lui-même au bord du chaos pendant le chauffage. "C'est une observation intéressante, car cela signifie que la réponse du système dépend fortement des conditions initiales. Ainsi, nous pourrions obtenir des réponses très diverses suite à un petit changement dans ces conditions."

Calcul neuromorphique

L'article comprend des calculs théoriques de collègues de la Penn State University (États-Unis) et de l'Université de Cambridge (Royaume-Uni), qui montrent que le comportement observé dans le titanate de baryum ferroélastique est générique pour les matériaux ferroïques. Ainsi, un matériau ferroélectrique au bord du chaos pourrait donner une réponse très diversifiée sur une petite plage de tensions d'entrée. "C'est exactement ce que tu veux, pour créer le type de réponse adaptable nécessaire au calcul neuromorphique, comme le calcul de réservoir, qui bénéficie de systèmes non linéaires pouvant produire des ensembles d'entrées-sorties très diversifiés."

Le papier en Lettres d'examen physique est une preuve de principe, montrer comment un matériau peut être conçu pour exister au bord du chaos, où il est très réactif. Noheda souligne également comment le doublement des domaines crée une structure similaire aux dendrites bifurquantes reliant les cellules pyramidales du cerveau. Ces cellules jouent un rôle important dans les capacités cognitives. Finalement, des matériaux ferroïques au bord du chaos peuvent être utilisés pour créer des systèmes électroniques de type cerveau pour des calculs complexes.