铁电学中的混沌物理学暗示着类似于大脑的计算

橡树岭国家实验室的研究人员探索了铁电材料中的异常行为，这为信息存储和处理提供了一种新的方法，称为内存计算。橡树岭国家实验室的研究人员探索了铁电材料中的异常行为，这为信息存储和处理提供了一种新的方法，称为内存计算。(高分辨率图像)

铁电材料以其在施加电场时自发地转换极化的能力而闻名。使用扫描探针显微镜，ORNL领导的团队利用此特性在铁电材料表面绘制了被称为极化的切换极化区域。令研究人员惊讶的是，当以密集阵列的形式书写时，这些畴开始在材料表面上形成复杂且不可预测的图案。

“当我们缩小域之间的距离时，我们开始发现本来应该是完全不可能的事情，” ORNL的安东·伊夫列夫(Anton Ievlev)说，他是《自然物理学》上发表论文的第一作者。“突然之间，当我们尝试绘制一个域时，它不会形成，或者会以棋盘格等交替的形式形成。乍看之下，这没有任何意义。我们认为，当一个域形成时，它就形成了。它不应该依赖于周围的领域。”

通过研究在不同条件下的域形成模式，研究人员意识到可以通过混沌理论来解释复杂的行为。ORNL的这项研究的负责人Sergei Kalinin说，一个域会抑制附近第二个域的创建，但会促进一个更远域的形成-这是混沌行为的前提。

他说：“混乱的行为通常是在时间上实现的，而不是在空间上实现的。” “一个例子是滴水的龙头：有时水滴以规则的方式掉落，有时不以规则的方式掉下来，但这是一个与时间有关的过程。像我们的实验一样，看到太空中实现的混沌行为是非常不寻常的。”

南卡罗来纳大学的合作者Yuriy Pershin解释说，该团队的系统具有内存计算所需的关键特性，内存计算是一种新兴的计算范例，其中信息存储和处理在同一物理平台上进行。

“ Memcomputing基本上是人脑的运作方式：神经元及其连接(突触)可以在同一位置存储和处理信息，” Pershin说。“这个具有铁电畴的实验证明了内存计算的可能性。”

在域半径内对信息进行编码可以使研究人员在铁电材料的表面上创建逻辑运算，从而组合信息存储和处理的位置。

研究人员指出，尽管该系统原则上具有通用的计算能力，但基于域交互效应来设计具有商业吸引力的全电子计算设备仍需要做大量工作。

“这些研究还使我们重新考虑了表面和电化学现象在铁电材料中的作用，因为畴相互作用直接追溯到与开关过程耦合的电化学反应过程中释放的表面屏蔽电荷的行为，” Kalinin说。

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