[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种纯粹机械的电学忆阻器类比，使用动量（p）和位移（x），定义了一个与速度无关的、无质量的理想忆阻器，其忆阻值 M(x) 独立于速度。该研究通过在热梯度下的粘性流体中使用空心球体，实现了该器件的实际应用，展示了在高频下会塌缩的“夹钳”滞回环，并推测存在一种类似于电磁忆阻器依赖磁性的、涉及质量的缺失忆阻器。

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.

研究动机与目标

• 建立基于动量和位移的电学忆阻器的机械类比。
• 通过在重质柴油油中使用一个1厘米半径的空心球体并施加热梯度，展示一种实际的、理想的无质量忆阻器。
• 识别并推测一种缺失的理想忆阻器的存在，该忆阻器关键依赖于惯性质量，类似于电磁忆阻器对磁性的依赖。
• 分析理想质量相关忆阻器和电磁忆阻器至今仍无法实现的结构与物理原因。

提出的方法

• 将机械忆阻定义为 M = dp/dx，类比于电学中的 M = dφ/dQ。
• 建立一个在温度梯度下充满粘性流体的空心球体系统，以实现与速度无关的忆阻值 M(x)。
• 利用流体动力学阻力和热扩散，构建动量电流响应中的非线性与记忆依赖性电阻。
• 模拟并分析 v 与 p 的关系图，观察忆阻行为的典型“夹钳”滞回环。
• 借鉴电磁学中的对称性论证，提出一种根本上依赖于惯性质量的缺失机械忆阻器。
• 构建纳米尺度的质量相关忆阻系统，以探索理想忆阻器实现的物理限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 纯粹机械系统是否能表现出理想的忆阻行为，而无需依赖速度相关的动力学或惯性质量？
• RQ2 何种物理系统能实现具有夹钳滞回环的实际无质量机械忆阻器？
• RQ3 为何一种关键依赖于惯性质量的理想机械忆阻器仍缺失，类似于缺失的电磁忆阻器？
• RQ4 阻止机械系统中理想质量相关忆阻器实现的根本物理限制是什么？
• RQ5 电磁学中的对称性原理如何指导机械忆阻系统的理论构建？

主要发现

• 通过在重质柴油油中使用一个半径为1厘米的空心球体并施加热梯度，成功实现了实际的、理想的无质量机械忆阻器，其忆阻值 M(x) 与速度无关。
• 该系统在速度与动量的关系图中表现出“夹钳”滞回环，且在高频下塌缩，证实了忆阻行为的存在。
• 该机械系统表明，忆阻行为可由纯粹的机械与热非线性产生，而无需依赖质量或磁场。
• 本文识别出一个理论空白：一种关键依赖于惯性质量的理想机械忆阻器，其角色类似于电磁忆阻器对磁性的依赖。
• 构建了纳米尺度的质量相关忆阻系统，结果表明由于基本物理限制，理想 MI 忆阻器可能根本无法实现。
• 分析确认，理想质量相关忆阻器的缺失并非由于对称性不足，而是由于机械系统中记忆特性和非线性之间存在根本不相容性。