Материалите могат да запомнят поредица от събития по неочакван начин

Много материали съхраняват информация за случилото се с тях - те притежават нещо като „материална памет“ досущ като бръчките върху смачкан лист хартия. Сега екип от физици от Пенсилванския университет откри, че при определени условия някои материали привидно нарушават основните математически принципи, като съхраняват спомени за последователността на предишни деформации.

Според изследователите методът, описан в статия, публикувана в Science Advances, може да вдъхнови нови начини за съхраняване на информация в механични системи – от ключалки до компютри.

Как материалите формират памет

Един от начините, по които материалите запаметяват информация, е т.нар. „памет с точка на връщане“. Тя функционира подобно на ключалка с един циферблат, обяснява Нейтън Кейм, доцент по физика в Колежа по естествени науки „Ебърли“ в Пенсилвания и ръководител на изследването.

При ключалките комбинацията зависи от начина, по който се завърта циферблатът – последователността на движенията определя дали тя ще се отвори. По същия начин, при материали с памет за точката на връщане, редуването на положителни и отрицателни деформации оставя следа, която може да бъде прочетена или изтрита.

„Математическите принципи, които обясняват този тип памет, са приложими не само за механични системи, но и за различни физически явления – от намагнитването на твърдите дискове в компютрите до повредите в твърдите скали“, казва Кейм. Неговият екип наскоро демонстрира, че същите математически закономерности описват паметта, съхранявана в неорганизирани твърди тела, където на пръв поглед хаотично разположените частици всъщност пазят информация за минали деформации.

Разрушаване на математическите ограничения

Обикновено паметта за точките на връщане изисква редуване на външните сили – например сменящо се магнитно поле или последователно издърпване в противоположни посоки. Теоретично материалите не би трябвало да могат да съхраняват информация, ако силата действа само в една посока.

„Ако натоварването е еднопосочно, например мост, който леко провисва под тежестта на автомобилите, но не се издига обратно нагоре, не би трябвало да се формира памет за последователност“, обяснява Кейм. „Математическите теореми за паметта на точките на връщане казват, че съхраняването на последователност е невъзможно при такова „асиметрично“ задвижване. Но ние открихме изключение – определени условия, при които дори асиметричното задвижване може да кодира последователност.“

Компютърни симулации и хистерони

За да изследват тези условия, учените провеждат серия от компютърни симулации, в които манипулират различни фактори – интензивността и ориентацията на външната сила, както и механизма ѝ на въздействие. Те свеждат компонентите на системата – например частиците в твърдо тяло или микроскопичните области в магнит – до абстрактни елементи, наречени хистерони.

„Хистероните са елементи на една система, които не реагират моментално на външните условия и могат да запазят предишното си състояние“, обяснява Травис Джаловец, съавтор на изследването и тогавашен студент по физика в Пенсилвания. „Подобно на това как вътрешните механизми на ключалката пазят предишните позиции на циферблата, а не само текущата му позиция. В нашия модел хистероните имат две възможни състояния и могат да взаимодействат един с друг – кооперативно или конкурентно.“

Анализите разкриват, че фрустрираните хистерони – такива, при които промяната в един елемент възпрепятства промяната в друг – играят ключова роля в създаването на памет при асиметрично задвижване.

Потенциални приложения

Изследователите установяват, че системите с кооперативни взаимодействия могат да съхраняват последователности само при симетрично задвижване, но дори само една двойка фрустрирани хистерони е достатъчна, за да създаде памет при асиметрично задвижване, стига да са изпълнени подходящите условия.

„Разпознаването на двойка фрустрирани хистерони в реален материал е трудно“, казва Кейм. „Но този тип поведение би се отличавал осезаемо, което може да ни помогне да го открием в експерименти.“

Според учените откритието може да бъде използвано за проектиране на изкуствени механични системи с този вид памет – от прости механизми, подобни на огъната сламка, до по-сложни асиметрични ключалки.

„Тази памет има важно свойство – тя съхранява както най-голямата деформация, така и последната извършена деформация“, пояснява Кейм. „Ако можем да създадем система, която съхранява поредица от спомени, тя може да бъде използвана като механична ключалка за проверка на специфична история или за възстановяване на диагностична информация.“

Изследователите вярват, че това откритие може да доведе до нови начини за съхраняване, извличане и изтриване на информация в материали и механични системи, без необходимост от електричество.

„Нараства интересът към механични системи, които усещат околната среда, извършват изчисления и се адаптират без електроника“, казва Кейм. „По-доброто разбиране на паметта разширява възможностите за създаване на такива интелигентни материали.“

Източник: Obekti.bg