Física caótica en materiales ferroeléctricos podría conducir a un cálculo similar al del cerebro

Ilustración de memcomputing (crédito: ORNL)

Ilustración de memcomputing (crédito: ORNL)

Un inesperado comportamiento en materiales ferroeléctricos estudiados por investigadores del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional Oak Ridge impulsará un nuevo método de almacenamiento y procesamiento de información conocido como “memcomputing” o cálculo basado en memristor.

Los materiales ferroeléctricos son conocidos por su capacidad de cambiar espontáneamente la polarización cuando se aplica un campo eléctrico.

Al utilizar un microscopio de sonda de barrido, los investigadores sacaron ventaja de esta propiedad para determinar áreas de conmutación de polarización conocidos como dominios en la superficie del material ferroeléctrico.

Inesperados patrones caóticos

Para sorpresa de los investigadores, cuando escribían en arreglos densos, los dominios empezaban a formar patrones complejos e impredecibles en la superficie del material.

“Cuando reducíamos la distancia entre los dominios, comenzábamos a ver cosas que deberían ser completamente imposible”, dijo Anton Levlev, autor principal del artículo publicado en Nature Physics.

“De repente, cuando queríamos trazar un dominio, no se formaba o se formaba con un patrón alternativo, como en un tablero de damas.

A primera impresión, no tenía ningún sentido. Creíamos que cuando un dominio se formaba, se formaba y ya. No debería depender de los dominios vecinos”.

Después de estudiar los patrones de formación de un dominio bajo condiciones cambiantes, los investigadores notaron que el comportamiento complejo podría ser explicado a través de la teoría del caos.

Un dominio suprimirá la creación de un segundo dominio cercano pero facilitará la creación de otro un poco más alejado –una precondición del comportamiento caótico, dijo Sergei Kalinin, quien dirigió el estudio.

Cálculo similar al del cerebro

Yuriy Pershin, de la Universidad de Carolina del Sur, explica que este sistema posee características clave requeridas para memcomputing, un paradigma emergente de cálculo en el cual el almacenamiento y procesamiento de información  se da en la misma plataforma física.

“El memcomputing es básicamente igual a la forma de operar del cerebro humano: las neuronas y sus conexiones –las sinapsis– pueden almacenar y procesar información en el mismo lugar”, dijo Pershin.

“Potencialmente, la intermitencia observada en los dominios de materiales ferroeléctricos podría ser utilizada para una generación novedosa de dispositivos de procesamiento de información, que almacenen y procesen información en el mismo lugar físico”, explicó Pershin.

“Específicamente, pensamos en dispositivos lógicos binarios en el cual dos posibles direcciones de polarización ferroeléctrica del dominio podrían ser utilizadas naturalmente para codificar dos estados lógicos: 0 y 1. Mientras que la tecnología convencional requiere varios transistores para lograr una compuerta lógica, los materiales ferroeléctricos ofrecen una lógica con menos transistores, de cierta manera similar la procesamiento y almacenamiento de información en el cerebro”.

“Además, el descubrimiento de la interacción de los dominios ofrece oportunidades muy interesantes de investigación. En particular, puede ser utilizado como herramienta para el estudio de cualidades físicas intrigantes que muestran algunos sistemas dinámicos complejos, por ejemplo una transición controlada hacia el caos. Por medio del uso de nuestro sistema, uno puede hacer, por ejemplo, emulación de sistemas distintos, no disponible experimentalmente de ninguna otra manera”.

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