Les processus d’information qui sous-tendent les systèmes physiques – de la matière organisée aux organismes biologiques – impliquent une dynamique d’auto-organisation émergeant de propriétés spécifiques du milieu substantiel de l’espace. Nous avons identifié ces propriétés comme étant : l’intercommunicabilité, la mémoire/l’hystérésis, les mécanismes itératifs de rétroaction/rétroaction anticipée, les influences rétrocausales et les interactions non locales, dont la gestalt est appelée espace-mémoire [1].
Dans notre publication The Unified Spacememory Network, nous identifions et décrivons les propriétés de l’espace qui le dotent d’une mémoire, une propriété nécessaire à la complexification des systèmes physiques (évolution et développement de l’univers) – laquelle est intégralement liée à la propriété émergente du temps et aux dynamiques d’info-entropie qui engendrent la morphogenèse, l’intelligence et les systèmes sensibles tels que les êtres humains. Cette propriété de l’espace est due en partie à la dépendance de l’état et à la réponse du milieu aux entrées d’informations qui, dans une structure causale locale, apparaissent comme des événements « passés ». Cette dépendance de l’état d’un système par rapport à son histoire s’appelle l’hystérésis. Elle se manifeste dans certains systèmes non linéaires, que l’on trouve en électronique, et constitue une caractéristique essentielle de la nouvelle classe de circuits connue sous le nom de « memristor ».
En raison des capacités de mémoire continue de ces systèmes – par opposition à la mémoire numérique de l’électronique conventionnelle – ces matériaux et systèmes de mémoire offrent des possibilités intéressantes pour de nouvelles modalités de traitement de l’information telles que le traitement neuromorphique de l’information, car les opérations de mémoire continue sont plus proches de ce que fait le cerveau que des calculs numériques traditionnels. L’étude de ces nouveaux matériaux et systèmes fonctionnels pourrait permettre d’élucider des aspects essentiels de la physique fondamentale – comme le réseau espace-mémoire – et de la biophysique qui interviennent dans l’intelligence et la conscience.
Dans le journal Nature Electronics, une équipe de chercheurs de l’Institut d’ingénierie électrique et microtechnique en Suisse (en collaboration avec l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière) a prétendu découvrir des propriétés de mémoire continue dans une molécule appelée dioxyde de vanadium (VO2), qui, si elles sont confirmées, pourraient un jour remplacer les métaux-oxydes-semiconducteurs conventionnels des circuits intégrés actuels et offrir un stockage et un traitement des données totalement nouveaux, ouvrant de nouvelles voies dans l’informatique neuromorphique et la mémoire à plusieurs niveaux [2].
De manière remarquable, l’équipe a démontré que la molécule de mémoire conserve la mémoire de l’état de l’historique complet des stimuli externes précédents, ce qui n’a été observé dans aucun autre matériau à ce jour. L’identification et la démonstration d’un matériau présentant ces propriétés sont très intéressantes pour nos recherches, car nous avons postulé que de telles capacités de mémoire structurelle avec rappel continu étaient une propriété de l’état matériel de l’espace-mémoire.
Il est donc important de comprendre comment ce matériau semblable à du verre, un isolant à basse température, est susceptible de permettre une mémoire continue accessible électroniquement, étant donné son importance évidente pour la physique fondamentale ainsi que pour les applications technologiques. Ce qui a été découvert, c’est que le dioxyde de vanadium subit une transition de phase distincte juste au-dessus de la température ambiante moyenne, au cours de laquelle le réseau atomique passe d’une structure monoclinique à une structure tétragonale. Dans la phase monoclinique, le matériau est un isolant, mais avec un léger apport d’énergie au-delà de la température critique, qui est juste au-dessus de la température ambiante moyenne, il devient conducteur. Fait remarquable, à la température de transition vers la structure paracristalline tétragonale, la conductance électrique augmente d’un facteur de 10 000.
Des changements dans la structure cristalline et les propriétés électroniques du dioxyde de vanadium se produisent lors de sa transition de phase isolant-métal (V en bleu ; O en rouge). Au-dessus de 67°C (à droite), les vibrations non linéaires de grande amplitude du réseau (phonons) conduisent à une structure cristalline tétragonale avec des électrons mobiles (en jaune), ce qui indique que le dioxyde de vanadium est un métal. À des températures plus basses (à gauche), les électrons sont localisés dans les liaisons atomiques de la structure cristalline monoclinique déformée, ce qui indique que le dioxyde de vanadium est un isolant. Crédit : Laboratoire national d’Oak Ridge.
Une étude antérieure a montré que la force thermodynamique à l’origine de la transition isolant-métal est principalement due aux vibrations du réseau (phonons), plutôt qu’aux contributions électroniques. En effet, les phonons de faible énergie modifient la configuration des orbitales électroniques (c’est-à-dire les liaisons atomiques) entre les atomes, et ce réarrangement configurationnel entraîne la délocalisation de certains électrons dans le réseau, leur permettant de se déplacer librement, comme dans le liquide de Fermi des métaux [3]. Ce mécanisme unique de transition isolant-métal, qui implique des états structurels plutôt qu’électroniques, ainsi que la manière dont il permet une mémoire à long terme du matériau, est un domaine d’investigation riche en nouvelles découvertes, tant en science des matériaux qu’en physique des systèmes de traitement de l’information.
Outre les nouvelles perspectives que l’étude de ce matériau apportera à la physique fondamentale, l’ingénierie de ce matériau pour des applications fonctionnelles pourrait offrir des avancées significatives dans la miniaturisation et la réduction de la consommation d’énergie des composants électroniques. Par exemple, les memristors pourraient permettre la création de plateformes de mémoire à très haute densité, largement supérieures aux capacités des mémoires basées sur des transistors. Dans ces matériaux de mémoire fortement corrélés, plusieurs interactions non linéaires impliquant des configurations de spin, de charge, de réseau, de dipôle et d’orbite sont simultanément actives, de sorte que la mémoire émerge comme une propriété intrinsèque de leurs caractéristiques structurelles, et non comme le résultat de la manipulation des états électroniques.
Dans un article ultérieur sur la dynamique de la mémoire spatiale, nous examinerons ces propriétés dans les structures subcellulaires de type memristor appelées microtubules, qui pourraient jouer un rôle essentiel dans le traitement de l’information et de la mémoire au sein des cellules, notamment dans les réseaux neuronaux du cerveau. En effet, les propriétés de mémoire continue récemment découvertes du dioxyde de vanadium sont beaucoup plus comparables aux fonctions de mémoire des réseaux subcellulaires et neuronaux du cerveau — contrairement au traitement informatique binaire on/off des mémoires basées sur les transistors, c’est-à-dire que le cerveau n’est pas un ordinateur —, ce qui suggère que cette nouvelle classe de matériaux, dont la mémoire est intrinsèquement liée à sa structure, pourrait avoir des applications dans des systèmes uniques de traitement de l’information neuromorphique.
Nous considérons que cette dernière découverte est particulièrement pertinente pour notre modèle de réseau spatial unifié, car elle offre une démonstration empirique que certains états, systèmes et matériaux possèdent une fonction de mémoire intégrale qui est une propriété intrinsèque de leur structure. Cette fonction émerge naturellement grâce à des caractéristiques remarquables telles qu’une forte corrélation (interrelations à longue distance ou non locales), l’intercommunicabilité, et les transitions de phase entre des états cohérents et mixtes. En plus de son intérêt théorique, l’utilisation de ces nouveaux matériaux de mémoire pourrait permettre le développement de dispositifs fonctionnels capables de surpasser les électroniques métal-oxyde-semiconducteur conventionnelles en termes de vitesse, de consommation d’énergie, et de miniaturisation. En effet, à mesure que nos technologies de traitement de l’information évoluent au-delà du calcul numérique binaire pour adopter un système plus naturel de traitement continu et parallèle de l’information, similaire à celui observé dans les structures fondamentales de la nature, telles que le réseau espace-mémoire.
Références
[1] N. Haramein, W. D. Brown, and A. Val Baker, “The Unified Spacememory Network: from Cosmogenesis to Consciousness,” Neuroquantology, vol. 14, no. 4, Jun. 2016, doi: 10.14704/nq.2016.14.4.961
[2] M. Samizadeh Nikoo et al., “Electrical control of glass-like dynamics in vanadium dioxide for data storage and processing,” Nat Electron, pp. 1–8, Aug. 2022, doi: 10.1038/s41928-022-00812-z
[3] J.D. Budai, J. Hong, M.E. Manley, E.D. Specht, C.W. Li, J.Z. Tischler, D.L. Abernathy, A.H. Said, B.M. Leu, L.A. Boatner, R.J. McQueeney, and O. Delaire, « Metallization of vanadium dioxide driven by large phonon entropy. » Nature 515, 535-539 (2014). DOI: 10.1038/nature13865
