利用混沌理論，可以創造出強大的新電子產品！

2020-10-18 博科園

格羅寧根大學科學家首次在一種材料中觀察到了一種混沌理論中廣為人知的現象，鐵彈性材料鈦酸鋇中由溫度升高或降低引起結構轉變類似於非線性動力系統中的周期性加倍。材料中的這種「空間混沌」是在1985年首次被預測，可用於適應性神經形態電子學等應用，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。格羅寧根大學一個物理學家團隊，由功能納米材料教授Beaterz Noheda領導，在鐵彈性材料鈦酸鋇(BaTiO3)薄膜中進行了觀察。

鐵質材料特徵是它們的有序結構，例如形狀(鐵彈性)、電荷(鐵電)或磁矩(鐵磁)。「這些材料總是晶體，其中的原子以特有的對稱性排列。電偶極子或磁偶極子在晶體中的疇內排列。但是，偶極子可以向上或向下指向，因為兩種狀態是等效的。因此，這些材料的晶體將具有兩種類型的疇。鐵彈性材料也是如此，最著名的是形狀記憶。然而，在這種情況下，情況有點複雜：這些晶體中單位晶胞是被拉長的，這意味著不同單位晶胞的區域在形狀上不容易匹配。

這產生了彈性應變，降低了晶體的穩定性。晶體可以通過形成疇的孿晶來自然地提高穩定性，疇的孿晶在相反方向上略微傾斜以減輕應力。結果是一種材料，其中這些孿生對形成交替的疇，具有固定的周期性。加熱引起材料的相變，其中疇壁的方向和周期性都被改變，問題是這種變化是如何發生的？提高溫度會增加材料中的無序(熵)，因此，在內在的秩序傾向和不斷增加的熵之間開始了一場拔河。正是這個過程第一次被Groningen團隊用原子力顯微鏡觀察到。

當樣品從25°C加熱到70°C時，會發生相變，改變疇壁的位置。當轉變開始時，新相的疇壁逐漸出現，並且兩個相在中溫(30°C至50°C)下共存，這不是隨機發生的，而是通過反覆加倍，冷卻材料通過重複半切減少了疇的周期性。當接近向混沌行為的過渡時，這種倍增或減半現象在非線性動力系統中是眾所周知的，然而從未在空間域中被觀察到，而只在時間周期中被觀察到。薄膜的行為和非線性系統之間的相似性表明，材料本身在加熱過程中處於混沌的邊緣。

這是一個有趣的觀察，因為它意味著系統的響應高度依賴於初始條件。因此，在這些條件發生微小變化後，可以得到非常不同的響應。這篇研究論文包括來自賓夕法尼亞州立大學和劍橋大學研究人員的理論計算，這些計算表明在鐵彈性鈦酸鋇中觀察到的行為，對於鐵質材料是通用的。因此，處於混沌邊緣的鐵電材料可以在很小輸入電壓範圍內給出高度不同的響應。這正是我們想要的，創造神經形態計算所需的適應性反應類型。

例如水庫計算，受益於可以產生高度多樣化的輸入-輸出集的非線性系統。《物理評論快報》上這篇研究論文是對原理的證明，展示了一種材料如何被設計成存在於混沌的邊緣，在那裡它具有高度的響應性。Noheda還指出，結構域的加倍如何創造出類似於連接大腦中金字塔細胞的分叉樹突結構。這些細胞在認知能力中起著重要作用。最終，處於混沌邊緣的鐵質材料可能被用來為複雜的計算創造類似電子大腦系統。

博科園｜研究/來自：格羅寧根大學

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.087603

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

相關焦點

  • 科學家發明高導電薄膜材料 可使電子產品更小更快更強大
    這種新材料可以製成更小、更快和功率更強大的電子產品，以及更高效的太陽能電池。研究成果發表在5日出版的英國《自然·通訊》雜誌上。據美國每日科學網站5月5日報導，研究人員說，這種新材料之所以如此特別是因為它擁有很高的導電性，可以幫助電子產品傳導更多的電流，使功率更加強大。但是，這種材料有著寬能帶隙，這意味著光可以輕易地穿過它從而使其看上去透明。
  • 「混沌理論」為什麼能讓企業在危機中迅速成長?
    在解析管理的時候，我知道需要了解今天的組織面對的是不確定的商業世界，因而我們需要有混沌的思維方式。混沌理論今天已經成為對管理產生最重要影響的理論之一，因為藉助於混沌理論我們可以理解以往無法理解的現象，可以找到組織管理的全新方式。我們先來看看混沌理論的一些基本概念。第一，穩定均衡。
  • 時間表明因果與順序；混沌宇宙中，我們創造出時間。
    微觀世界是我們分割宏觀世界得到的，就像科學家利用大型電子對撞機，讓基本粒子對撞以得到更小的粒子，來尋找宇宙的起源。微觀世界實際是宏觀世界的起始，時間與空間的盡頭。我們前面文章談到，微觀世界是我們剝離事物關係得到的。空間即關係，時間則與我們的觀察有關。事物關係的剝離致使微觀世界時間與空間概念盡失。　　沒有時間，微觀世界就可以處於疊加態 ，一切都可以同時出現。
  • 量子和混沌理論告訴你
    單個電子射入屏幕上出現統計學規律但是並沒有這樣幽靈般的電子，單個電子卻出現了集體電子才應該表現出的行為。後來科學家們解釋，電子的個體也具有波動性，他們將電子這種隨機不確定的波動性叫概率波，薛丁格用了一個波函數來描述電子的這種概率分布。後來推而廣之，所有組成物質或能量的基本單元——量子——都可以用波函數來描述。
  • 令人驚嘆的混沌理論——背後的數學原理和哲學思考
    他的理論引發了一場名為「混沌理論」的科學革命。有人說，簡單的規則有時會產生奇異的複雜性。那些複雜的結構通常來源於最基本的變換。這種現象和理論在實踐中經常被提及，但也出現在《怪奇物語》等電子遊戲和《侏羅紀公園》等電影中。那麼，混沌理論的實際定義是什麼呢？它與數學有什麼聯繫？它與可預測性和決定論有什麼關係？如何將它應用於一般情況？
  • 方興未艾的混沌理論:應用領域將會越來越廣
    混沌理論的研究不僅具有重大的科學意義，而且具有廣泛的應用前景。混沌理論幾乎涉及到自然科學和社會科學的各個領域，成為解決非線性複雜問題的有效工具，並正在改變人們對現實世界的許多傳統看法。例如在氣象學領域，天氣預報逐日預報的可預報時限大約是兩三周左右的時間。混沌理論認為，人們試圖作出準確的長期天氣預報是不可能的。在近年的氣象研究中,利用混沌理論進行中期預報的研究。
  • 認知突圍 ǁ 認識「混沌」，混沌理論的實用價值
    隨著社會進步，文明發展，科學家逐漸發展出了混沌理論。所謂混沌理論是指，一種兼具質性思考與量化分析的理論體系，它作為解決實際問題的有用工具，在探索動態運動系統中，如人口遷徙、化學反應、大氣變化、社會行為、市場分析、金融體系、就業體系、養老體系等等研究中，發揮了重要的作用。
  • 混沌理論助力語言探索 新的研究範式正在興起
    混沌理論助力語言探索 新的研究範式正在興起 原標題： 　　【環球科技報導】據義大利通訊社消息，卡拉布裡亞大學的語言學家埃莉奧諾拉·比洛塔教授和數學家彼得洛·潘塔諾教授最近採用混沌理論(chaos theory)中的奇異吸引子(strange attractor
  • 漫威宇宙最強大的三大古老之力,鳳凰之力和混沌之力只能排到後面
    而在漫威宇宙中，也曾經出現過很多強大的古老之力，其中有兩種在電影中出現過，而有一種力量至今未現身在漫威電影宇宙中。鳳凰之力說起鳳凰之力，第一時間想起來的就是X戰警中的琴。它的力量理論上可以無限制的操縱宇宙中的時間、空間、物質、能量等等，所以有著輕易修改現實世界的能力。最近出現在上映不久的電影X戰警：黑鳳凰中。在電影中，沒有完全覺醒的鳳凰之力，就可以輕易的毀滅地球。在一次宇宙旅行中，鳳凰之力意外地救了琴，而琴也成為了鳳凰之力的宿主。使得琴成為了最強大的X戰警。
  • 混沌理論的解釋與發展
    大家好，歡迎收看我的百家號小偉健談，今天小編要給大家的介紹的是混沌理論的解釋與發展混沌理論你早上去上班卻忘了帶錢包,你沒錢坐公交,所以上班遲到了,於是就被解僱了。這個例子說明,小事件可能造成大影響,這就是混沌理論的核心從量子物理到經濟模型,混沌無處不在混沌是從由數學方程明確定義的系統中湧現出明顯隨機的行為,通常發生在要用非線性方程(涉及平方、立方和其他更高次冪的方程)描述的系統中。混沌體現在這些方程的解對方程初始條件的極度敏感。比如,在一個描述天氣的混沌方程組裡,初始條件18℃和晴與初始條件17.5℃和多雲,所得到的結果就會差別巨大。
  • 混沌理論提高機器人思考能力
    新一期英國《自然·物理學》雜誌報告說，德國科學家日前研發出一種應用混沌理論的小型機器人，其簡單的「大腦」可以處理大量信息並發出指令，從而完成複雜任務。雖然機器人的中央處理器——「大腦」非常簡單，但在應用混沌理論後，這個「大腦」可以高效分析和處理傳感器信息，迅速做出躲避「天敵」、爬坡、越過障礙物等行動。　　有關專家評論說，這個「混沌」機器人為研究動物神經系統提供了一種有價值的參考模型。　　混沌現象發生於易變動系統中。這類系統在變化之初極為簡單，但經過一系列連續變動之後，會產生始料未及的後果，也就是進入混沌狀態。
  • 混沌理論用於語言研究
    混沌理論用於語言研究 2017年05月16日 07:06 來源：中國社會科學網-中國社會科學報 作者：林斌 字號 內容摘要：混沌理論(chaos theory)(以下簡稱「混沌論」)在語言研究中的應用是近年來語言學界的研究熱點
  • 混沌理論| Theory of Chaos
    壞帳銀行bad bank源於08年次貸危機（sub prime mortgage crisis）英國為拯救其銀行所創造的一種方法。我嘗試將我對於期權，風險管理的理解融入到混沌理論中的探索之中。曾經一度被認為是隨機的後來又被證實是混沌的，這個問題激發了人們探索真理的熱情。如果一個變量或一個過程的演進、或時間路徑看似隨機的，而事實上是確定的，那麼這個變量或時間路徑就表現出混沌行為。這個時間路徑是由一個確定的非線性方程生成的。在此，我們有必要介紹一下混沌理論的發展史。
  • 混沌理論到底是什麼?從蝴蝶效應說起
    對非專業人士來說，大抵上可以這樣直觀地去理解混沌系統及其混沌特性。洛倫茨的偉大貢獻，是他第一次為這種極端敏感性和後來的混沌理論提供了一個簡單又精準的物理系統的數學模型。不過，嚴格的混沌數學理論並不歸功於洛倫茨。現代混沌數學理論的鼻祖，是剛才提到的那位通才數學家龐加萊。1887年，瑞典國王奧斯卡二世懸賞，徵求太陽系穩定性問題的解答，期望解決天體力學中的三體甚至N體問題。
  • 混沌理論到底是什麼?從蝴蝶效應說起-虎嗅網
    對非專業人士來說，大抵上可以這樣直觀地去理解混沌系統及其混沌特性。洛倫茨的偉大貢獻，是他第一次為這種極端敏感性和後來的混沌理論提供了一個簡單又精準的物理系統的數學模型。不過，嚴格的混沌數學理論並不歸功於洛倫茨。現代混沌數學理論的鼻祖，是剛才提到的那位通才數學家龐加萊。1887年，瑞典國王奧斯卡二世懸賞，徵求太陽系穩定性問題的解答，期望解決天體力學中的三體甚至N體問題。
  • 混沌的發現之旅,世間有多少事可以預測?輕撩混沌學面紗
    混沌系統的特徵表明，無法精確預測混沌系統的長時間的行為。但是新近研究表明：混沌是可以控制的，可以作為一項數學技術加以應用。混沌已被用來增強雷射器的功率；調整電子線路的輸出，使之同步；控制化學反應的波動；穩定動物心臟的異常心律；編碼電子信息以保證通信安全。我們知道，混沌系統長期行為不可預測，但它是確定的。
  • 令人驚嘆的混沌理論——背後的數學原理和哲學思考
    他的理論引發了一場名為「混沌理論」的科學革命。有人說，簡單的基本規則有時會產生奇異的複雜性。那些複雜的結構通常有非常基本的來源。這種現象和理論在實踐中經常被提及，但也出現在《怪奇物語》等電子遊戲和《侏羅紀公園》等電影中。那麼，混沌理論的實際定義是什麼呢？它與數學有什麼聯繫？它與可預測性和決定論有什麼關係？如何將這些發現應用於一般情況？
  • 神秘的混沌理論
    實際上，世界上所有的人都是由一樣的元素和化合物組成，人體的99%都是由空氣、水以及白堊組成，另外還有一些微量元素，比如：鐵、鋅、磷和硫等，所有的這些元素其實花幾十塊錢就能買到，但是就是這些數以萬計的普普通通的組合到一起，就組成了一個能夠思考、能夠呼吸、創造這個世界的活生生的人。
  • 從「混沌」到「共生」
    混沌往往在簡單中包孕著複雜，在確定性中包含著隨機性，混沌絕不等於混亂，貌似無序，卻存在著規律和有序，簡言之，混沌是無序和有序的統一。這正是對宇宙演化發展的對立統一規律、質量互變規律和否定之否定定律的最好註解。在混沌讓位於秩序，秩序又產生新形式的混沌的過程中，其最終目的就是創造美。這種美，是一種人與自然萬物交融一體的和諧美。
  • 看機器學習如何解釋混沌系統
    如果這樣的太陽風暴現在襲擊地球，將嚴重損害地球的電子基礎設施。但是如果你能預測到風暴即將到來，就可以暫時關掉電子設備電源，等風暴過後再打開。　　算法預測混沌系統的原理　　混沌模型：研究人員從模擬火焰鋒面傳播的Kuramoto-Sivashinsky方程式開始。