[論文レビュー] Purely Mechanical Memristors: Perfect Massless Memory Resistors, the Missing Perfect Mass-Involving Memristor, and Massive Memristive Systems

Sascha Vongehr|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2015

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、運動量（p）と変位（x）を用いて、電気的メモリスタの完全に機械的な類似物を提案する。これは速度に依存しないmemristance M(x)を持つ質量のない完全なメモリスタを定義する。実用的な実装として、温度勾配下での粘性流体内に置かれた中空球体を用い、ピンチドヒステリシスループが高周波数で収束する様子を示す。また、磁気の依存性に類似した慣性質量を含む欠落しているメモリスタの存在を仮説する。

ABSTRACT

We define a mechanical analog to the electrical basic circuit element M = dϕ/dQ, namely the ideal mechanical memristance M = dp/dx; p is momentum. We then introduce a mechanical memory resistor which has M(x) independent of velocity v, so it is a perfect (= not-just-memristive) memristor, although its memristance does not crucially involve inert mass. It is practically realizable with a 1cm radius hollow sphere in heavy fuel oil with a temperature gradient. It has a pinched hysteretic loop that collapses at high frequency in the v versus p plot. The mechanical system clarifies the nature of memristor devices that can be hypothesized on grounds of physical symmetries. We hypothesize a missing mechanical perfect memristor, which must be crucially mass-involving (MI) precisely like the 1971 implied EM memristor device needs magnetism. We also construct MI memristive nano systems, which clarifies why perfect MI memristors and EM memristors are still missing and likely impossible.

研究の動機と目的

• 運動量と変位を用いて、電気的メモリスタの機械的アナログを確立すること。
• 温度勾配下での重油中に1cmの球体を用いた、実用的で完全な質量のないメモリスタの実証。
• 慣性質量を本質的に含む完全なメモリスタの存在を特定し、電磁的メモリスタが磁気依存性に依存するのと類似した欠落しているメモリスタを仮説すること。
• 完全な慣性質量を含むメモリスタと電磁的メモリスタが未だ実現できない構造的および物理的要因を分析すること。

提案手法

• 電気的M = dφ/dQに類似して、機械的メモリスタンスを M = dp/dx として定義する。
• 速度に依存しないメモリスタンス M(x) を実現するため、温度勾配下に置かれた粘性流体内の中空球体をモデル化する。
• 流体力学的抗力と熱拡散を用いて、運動量電流応答における非線形かつ記憶依存性の抵抗を生成する。
• v 対 p のプロットをシミュレートおよび分析し、メモリスティブ行動の特徴的であるピンチドヒステリシスループを観察する。
• 電磁気学からの対称性の議論を応用し、慣性質量に本質的に依存する欠落している機械的メモリスタを提案する。
• ナノスケールの慣性質量を含むメモリスティブ系を構築し、完全なメモリスタ実現における物理的制約を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 速度依存の力学的動作や慣性質量に依存しない完全な機械的系が、完全なメモリスティブ行動を示せるか？
• RQ2 どの物理的系が、ピンチドヒステリシスループを示す実用的で質量のない機械的メモリスタを実現するか？
• RQ3 慣性質量を本質的に含む完全な機械的メモリスタが未だ欠落しているのはなぜか、電磁的メモリスタの欠落と類似している。
• RQ4 機械的系において完全な慣性質量を含むメモリスタが実現できない根本的な物理的制約は何か？
• RQ5 電磁気学からの対称性原理は、機械的メモリスティブ系の理論的構築をどのように導くか？

主な発見

• 1cmの半径を有する中空球体を重油中に置き、温度勾配をかけた実用的で完全な質量のない機械的メモリスタが実現され、速度に依存しないメモリスタンス M(x) を示した。
• 速度対運動量プロットにおいて、ピンチドヒステリシスループが観察され、高周波数で収束する。これはメモリスティブ行動を確認するものである。
• この機械的系は、質量や磁場を必要とせず、純粋な機械的および熱的非線形性からメモリスティブ行動が生じることを示している。
• 本稿は理論的ギャップを特定した：電磁的メモリスタが磁気依存性に依存するのと同様に、慣性質量に本質的に依存する完全な機械的メモリスタが欠落していること。
• ナノスケールの慣性質量を含むメモリスティブ系を構築したところ、完全なMIメモリスタは根本的な物理的制約により実現不可能であることが判明した。
• 分析により、完全な慣性質量を含むメモリスタが存在しないのは、対称性の欠如によるのではなく、機械的系における記憶と非線形性を満たす不適合性に起因することが確認された。