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Des mémoires ferroélectriques chaotiques, un modèle pour le cerveau ?

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En explorant la physique des matériaux ferroélectriques dans le but de fabriquer de nouvelles mémoires, un groupe de physiciens y a découvert un comportement inattendu relevant de la théorie du chaos. Cela pourrait déboucher sur des composants électroniques mimant le comportement des neurones, en effectuant simultanément du stockage et du traitement de l'information.

Vue d'artiste mélangeant à gauche de vraies images de la polarisation de certains matériaux ferroéléctriques prises avec un microscope à sonde locale, avec à droite une représentation de circuits utilisés pour réaliser des calculs logiques. Les états de polarisations correspondent à des bits d'information, en binaire donc. © Oak Ridge National Laboratory

On fait souvent remonter à Henri Poincaré les premiers développements de la théorie du chaos. Mais elle a pris son ampleur dans les années 1970 à 1980, avec la croissance de la puissance de calcul des ordinateurs. Subitement, le chaos apparaissait dans presque toutes les sciences : la météorologie, l'économie, la biologie, mais aussi les neurosciences. Toutes ces disciplines ont en commun d'utiliser des équations différentielles prévoyant l'évolution dans le temps de ce qu'on appelle des systèmes dynamiques.

La mode du chaos est quelque peu passée aujourd'hui, et on n'a pas assisté au changement de paradigme au sens de Thomas Kuhn, dont certains, comme Joseph Ford, se faisaient les prophètes. Reste que des comportements chaotiques sont toujours découverts dans certains systèmes physiques de nos jours, y compris quand ils sont quantiques. Un groupe de chercheurs du célèbre Oak Ridge National Laboratory (ORNL) vient d'en trouver de façon inattendue dans les matériaux ferroélectriques.

Polarisation chaotique des domaines

De la même manière que les matériaux ferromagnétiques peuvent porter des bits d'information sous forme d'aimantation de domaines microscopiques, les matériaux ferroélectriques sont des outils potentiels pour fabriquer des supports de mémoire. Au lieu d'utiliser un champ magnétique, on utilise un champ électrique pour polariser dans une orientation donnée des domaines des matériaux ferroélectriques. C'est ce qu'essayaient de faire les physiciens de l'ORNL avec une technique de microscopie à sonde locale quand ils ont eu une surprise.

John von Neumann est avec Alan Turing l'un des pères de l'informatique et des ordinateurs. Peu avant de mourir, il était occupé à écrire un livre, L'ordinateur et le cerveau, dans lequel il explorait les points communs et les différences entre les ordinateurs et le fonctionnement du cerveau. C'est aujourd'hui un domaine de recherche actif, et on utilise les ordinateurs, héritiers des travaux de von Neumann, pour tenter de percer les mystères du cerveau. © Wikipédia, DP

Lorsqu'ils ont commencé à réduire la taille des domaines, le contrôle de leur polarisation a commencé à leur échapper en formant spontanément plusieurs domaines dans des régions adjacentes à celles où les physiciens tentaient d'écrire l'équivalent d'un « 0 » ou d'un « 1 ». Si l'on se représente ces domaines sous forme de cases noires ou blanches correspondant aux bits d’information, tout se passait parfois comme si la formation d'une seule de ces cases entraînait l'apparition imprévisible d'une portion de damier autour d'elle.

Les chercheurs ont commencé à y voir plus clair quand ils ont découvert que des régularités émergeaient tout de même du comportement des domaines ferroélectriques en faisant intervenir la théorie du chaos, mais dans l'espace, et non plus dans le temps.

Des circuits pour le « memcomputing »

Cette découverte pourrait apparaître comme une simple curiosité de laboratoire, mais les physiciens, qui ont publié les résultats de leurs travaux dans un article de Nature Physics, y voient tout autre chose : la possibilité de faire avec des matériaux ferroélectriques ce qu'ils appellent du « memcomputing ». L'idée et d'utiliser des composants électroniques qui seraient capables de servir aussi bien de mémoire que de circuits pour des opérations de calcul logique.

Ce qui est fascinant, selon les chercheurs, c'est que les neurones du cerveau humain semblent faire du memcomputing. Ces cellules, avec leurs connexions synaptiques, servent aussi bien à traiter de l'information qu'à la stocker. On sait d'ailleurs que l'un des objectifs du Human Brain Project est de déboucher sur une nouvelle électronique imitant les performances des neurones pour fabriquer des ordinateurs moins gourmands en énergie et plus performants pour certaines tâches. On peut penser que des liens intéressants entre chaos, cerveau et physique du solide vont émerger en étudiant de plus près les matériaux ferroélectriques.

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