Матеріали формують "спогади" про минуле несподіваним чином: які висновки зробили фізики?

Багато матеріалів зберігають інформацію про те, що з ними сталося в минулому, у своєрідній матеріальній пам'яті, як складки на колись зім'ятому аркуші паперу. Тепер фізики виявили, як за певних умов деякі матеріали, здається, порушують базову математику, щоб зберігати спогади про послідовність попередніх деформацій. Це відкриття пропонує нові можливості, які можна використовувати в галузі обчислювальної техніки та машинобудування. Дослідження опубліковано в журналі Science Advances, пише ScienceAlert.

Один із способів, за допомогою якого деякі матеріали формують "спогади", називається пам'яттю з точкою повернення, яка спирається на рух у двох напрямках і працює як однодисковий кодовий замок. Коли диск замка обертається в певній послідовності то в одну, то в іншу сторону, це призводить до відкриття замка. Аналогічно, для матеріалів з пам'яттю з точкою повернення чергування різних деформацій може залишити "спогади" про послідовність змін, яку фізики можуть виявити.

Пам'ять з точкою повернення ґрунтується на чергуванні напрямку зовнішньої сили, наприклад, на чергуванні позитивного або негативного магнітного поля або натягу матеріалу з одного боку, а потім з іншого. Але матеріали не повинні мати можливості формувати пам'ять з точкою повернення, коли сила діє лише в одному напрямку.

Розрахунки показують, що неможливо зберігати послідовність, якщо є лише асиметричний рух в одному напрямку. Але фізики виявили, що за певних обставин такий вид асиметричного руху може кодувати послідовність.

Фізики створили комп'ютерну модель для дослідження того, яким чином у матеріалі може кодуватися послідовність змін. Для цього вчені зводили компоненти в системі, такі як частинки в твердому тілі, до абстрактних елементів, які називаються гістеронами. Ці елементи системи можуть не відразу реагувати на зовнішні умови і залишатися в минулому стані.

Гістерони в моделі взаємодіють або разом, коли зміна одного стимулює зміну іншого, або взаємодіють "фрустрованим" чином, коли зміна одного заважає зміні іншого. І це порушує правила пам'яті з точкою повернення.

Прикладом такої "фрустрації" може слугувати звичайна трубочка з гофрованим вигином для пиття напоїв. Цей вигин на трубочці можна стискати і розтягувати. Якщо потягнути за кінці трубочки і зупинитися, то одна з складок в вигині розшириться, поки рух відбувається в одному напрямку. Але інші складки залишаться в тому ж стані. Зміна однієї складки знімає напруження у всій системі. Оцінка всіх складок дає підказки про минулі сили, які були застосовані. Це не ідеальна аналогія, але вона дає загальне уявлення.

Вчені виявили, що системи з спільними взаємодіями можуть кодувати послідовність лише в тому випадку, якщо рух було симетричним. Однак для створення закодованої послідовності з асиметричним рухом було достатньо всього однієї пари "фрустрованих" гістеронів.

Фізики з'ясували, що "фрустровані" гістерони можуть діяти як банки пам'яті для останньої деформації та найбільшої деформації. За словами вчених, хоча "фрустровані" гістерони, ймовірно, рідко зустрічаються в реальних матеріалах, їх можна вбудувати в штучні матеріали. Таким чином можна отримати системи, які зберігають спогади про минулі стани матеріалу.