Only Perception: 鐵電體中的混沌物理暗示類腦運算

2013-11-22

鐵電體中的混沌物理暗示類腦運算

Chaotic physics in ferroelectrics hints at brain-like computing
http://phys.org/news/2013-11-chaotic-physics-ferroelectrics-hints-brain-like.html

Nov 18, 2013

能源部 ORNL 研究者在探索鐵電材料（ferroelectric materials）時所發現的意外行為，支持一種新的資訊儲存與處理方法。

已知當施加一電場時，鐵電材料會自發性地扭轉極化（spontaneously switch polarization）。這個由 ORNL 領導的團隊利用此特性，透過一具掃描探針顯微鏡（SPM），在某一鐵電材料表面上，畫出極化已扭轉的區域，稱為 domains（域，鐵電域，ferroelectric domain）。令研究者感到驚訝的是，以稠密陣列方式寫入時，domains 開始在材料表面形成複雜且難以預料的圖案（patterns）。

"當我們減少 domains 之間的距離時，我們開始看見應該完全不可發生的事情，" ORNL 的 Anton Ievlev 表示，論文第一作者，這篇論文發表在 Nature Physics 期刊上。"當我們試圖要畫出一個 domain 時，忽然間，它不再形成，又或著它會形成一種像棋盤那樣的交替圖案。乍看之下，那不具任何意義。我們想，當一個 domain 形成了，它就形成了。那應該不會取決於周遭的 domains。"

研究在各種狀況下形成的 domain 圖案後，研究者領悟到，這種複雜的行為或能透過混沌理論（chaos theory）來解釋。某個 domain 可能會抑制鄰近第二個 domain 的創造，但使遠處的那一個更容易形成 -- 一種混沌行為的前提，ORNL 的 Sergei Kalinin 表示，他領導此研究。

"混沌行為一般來說在時間而非空間中實現，" 他說。"一個例子是滴水的龍頭：有時候水滴以正規的樣式滴落，有時則否，不過那是一種與時間相依的過程。要看到混沌行為在空間中實現，一如在我們的實驗中，真的非常不尋常。"

南卡羅來納大學的共同合作者 Yuriy Pershin 解釋，該團隊的系統擁有憶阻運算（memcomputing）所需要的關鍵特性。那是一種新興的計算典範，在其中資訊儲存與處理發生在相同的物理平台上。

"憶阻運算基本上就是人腦運作的方式：神經元以及它們的連接 -- 突觸 -- 能在相同位置儲存與處理資訊，" Pershin 說。"這個鐵電域的實驗證明了憶阻計算的可能性。"

依照域的半徑（domain radius）將資訊編碼能允許研究者在鐵電材料表面上創造出邏輯操作，也因而結合了資訊儲存與處理的位置。

研究者們提到，雖然該系統在原則上具有普適計算（universal computing）能力，不過要基於 domain interaction effect（域交互作用效應）設計出一個在商業上具有吸引力的、全電子的運算裝置，仍需要進行許多研究。

"這些研究亦使我們重新思考鐵電材料中「表面」與「電化學現象」的角色，因為域交互作用能直接回溯到表面屏蔽電荷（surface screening charges）的行為，那在電化學反應耦合到扭轉過程期間釋出，" Kalinin 表示。

※ 相關報導：

＊ Intermittency, quasiperiodicity and chaos in probe-induced ferroelectric domain switching
http://dx.doi.org/10.1038/nphys2796

A. V. Ievlev, S. Jesse, A. N. Morozovska, E. Strelcov,
E. A. Eliseev, Y. V. Pershin, A. Kumar, V. Ya. Shur,
S. V. Kalinin.
Nature Physics (2013)
doi: 10.1038/nphys2796

Memristive materials and devices, which enable information storage and processing on one and the same physical platform, offer an alternative to conventional von Neumann computation architectures. Their continuous spectra of states with intricate field-history dependence give rise to complex dynamics, the spatial aspect of which has not been studied in detail yet. Here, we demonstrate that ferroelectric domain switching induced by a scanning probe microscopy tip exhibits rich pattern dynamics, including intermittency（間歇性）, quasiperiodicity（準週期性） and chaos. These effects are due to the interplay between tip-induced polarization switching and screening charge dynamics, and can be mapped onto the logistic map. Our findings may have implications for ferroelectric storage, nanostructure fabrication and transistor-less logic.