Los procesos de información subyacentes a los sistemas físicos -desde la materia organizada hasta los organismos biológicos- implican una dinámica de autoorganización que emerge de propiedades específicas del medio sustantivo del espacio. Hemos identificado estas propiedades como: intercomunicabilidad, memoria / histéresis, mecanismos iterativos de retroalimentación/retroalimentación, influencias retrocausales e interacciones no locales, cuya gestalt denominamos memoria espacial [1].
En nuestra publicación The Unified Spacememory Network, identificamos y describimos las propiedades del espacio que lo dotan de memoria, una propiedad necesaria para la complejización de los sistemas físicos (evolución y desarrollo del universo), que está íntegramente relacionada con la propiedad emergente de la dinámica del tiempo y la infoentropía que engendra la morfogénesis, la inteligencia y los sistemas sensibles como los seres humanos. Esta propiedad del espacio se debe en parte a la dependencia del estado y a la respuesta del medio a las entradas de información, que en una estructura causal local aparecen como acontecimientos «pasados». Esta dependencia del estado de un sistema con respecto a su historia se denomina histéresis y la presentan ciertos sistemas no lineales de la electrónica, además de ser una característica esencial del nuevo tipo de circuito conocido como memristor.
Debido a la capacidad de memoria continua de estos sistemas -a diferencia de la memoria digital de la electrónica convencional-, estos materiales y sistemas de memoria ofrecen interesantes posibilidades en nuevas modalidades de procesamiento de la información, como el procesamiento neuromórfico de la información, ya que las operaciones de memoria continua son más parecidas a lo que hace el cerebro que los cálculos digitales tradicionales. Además, la investigación de estos nuevos materiales y sistemas funcionales puede arrojar luz sobre aspectos fundamentales de la física -como la red espacio-memoria- y la biofísica que intervienen en la inteligencia y la consciencia.
En la revista Nature Electronics, un equipo de investigadores del Instituto de Ingeniería Eléctrica y Microingeniería de Suiza (en colaboración con el Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia) ha descubierto propiedades de memoria continua en una molécula llamada dióxido de vanadio (VO2) que, de confirmarse, podría sustituir algún día a los semiconductores de óxido metálico convencionales de los circuitos integrados actuales y ofrecer un almacenamiento y procesamiento de datos totalmente novedosos, abriendo nuevas vías dentro de la computación neuromórfica y la memoria multinivel [2].
Sorprendentemente, el equipo demostró que la molécula de memoria conserva la memoria de estado de todo el historial de estímulos externos anteriores, algo que no se había observado en ningún otro material hasta la fecha. La identificación y demostración de un material con estas propiedades es muy interesante para nuestra investigación, ya que estas capacidades de memoria estructural con recuerdo continuo es algo que postulamos como una propiedad del estado material del espaciomemoria.
Así pues, dado que esto tiene una clara relevancia para la física fundamental, así como para las aplicaciones tecnológicas, es importante comprender cómo este material similar al vidrio, un aislante a bajas temperaturas, es susceptible de memoria continua accesible electrónicamente. Lo que se ha descubierto es que el dióxido de vanadio experimenta una transición de fase distinta justo por encima de la temperatura ambiente media, en la que la red atómica se reorganiza de una estructura monoclínica a una tetragonal. En la fase monoclínica, el material es un aislante, pero con sólo un pequeño aporte de energía a través de la temperatura umbral crítica, que está justo por encima de la temperatura ambiente media, se convierte en conductor. Sorprendentemente, a la temperatura de transición a la estructura tetragonal paracristalina, la conductancia eléctrica se multiplica por 10.000.
Un estudio anterior había demostrado que la fuerza termodinámica que impulsa la transición de aislante a metal está dominada por las vibraciones de la red (fonones) más que por contribuciones electrónicas, de forma que los fonones de baja energía cambian la configuración orbital de los electrones (es decir, los enlaces atómicos) entre los átomos, y el reordenamiento configuracional provoca la deslocalización de algunos electrones en la red, permitiéndoles viajar libremente como en el líquido de Fermi de los metales [3]. Este mecanismo único de transición de aislante a metal, que implica estados estructurales en lugar de electrónicos, y la forma en que permite la memoria de larga duración del material es un área de investigación rica en nuevos descubrimientos que esperan en la ciencia de los materiales y la física de los sistemas de procesamiento de la información.
Además de los nuevos conocimientos que la investigación de este material aportará a la física fundamental, la ingeniería del material para aplicaciones funcionales puede ofrecer avances significativos en la miniaturización y la reducción del consumo de energía de los componentes electrónicos, ya que, por ejemplo, los memristores pueden permitir plataformas de memoria de densidad extremadamente alta que superen con creces la capacidad de las memorias basadas en transistores. En estos materiales de memoria fuertemente correlacionados se activan simultáneamente varias interacciones no lineales que implican configuraciones de espín, carga, red, dipolo y orbital, de modo que la memoria surge como una propiedad intrínseca de sus características estructurales y no basada en la manipulación de estados electrónicos.
En un artículo posterior sobre la dinámica de la memoria espacial analizaremos estas propiedades en las estructuras subcelulares similares a los memristores llamadas microtúbulos, que pueden desempeñar un papel integral en el procesamiento de la información y la memoria en las células del cuerpo, en particular en las redes neuronales del cerebro. De hecho, dado que las propiedades de memoria continua del dióxido de vanadio recién descubiertas son mucho más similares a las funciones de memoria de las redes subcelulares y neuronales del cerebro -en contraposición al procesamiento computacional binario on/off de las memorias basadas en transistores, es decir, el cerebro no es un ordenador-, esta nueva clase de material con memoria innata a su estructura puede tener aplicaciones en sistemas neuromórficos únicos de procesamiento de la información.
Consideramos que este último descubrimiento es muy relevante para nuestro modelo de Red Espacial Unificada de Memoria, ya que es una demostración física empírica de que ciertos estados, sistemas y materiales poseen una función de memoria integral que es una propiedad intrínseca de su estructura y que surge de forma natural debido a sus notables características como la fuerte correlación (interrelaciones de largo alcance o no locales), la intercomunicabilidad y las transiciones de fase entre estados coherentes y mixtos. Además de su relevancia teórica, la utilización de estos nuevos materiales de memoria podría permitir el desarrollo de dispositivos funcionales capaces de superar a los dispositivos electrónicos convencionales de óxido metálico y semiconductores en términos de velocidad, energía, consumo y miniaturización, a medida que nuestras tecnologías de procesamiento de la información avanzan más allá de la computación digital binaria hacia el sistema más natural de procesamiento continuo y paralelo de la información que presentan las organizaciones más fundamentales de la naturaleza, como la red de memoria espacial.
Referencias
[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
