Ein gefaltetes Blatt Papier behält eine Falte. Selbst wenn man es entfaltet, bleibt diese Geschichte bestehen. Es ist ein grundlegendes Beispiel für materielles Gedächtnis. Mikroskopische Strukturen speichern Informationen darüber, wie sie zusammengedrückt, gedehnt oder gerührt wurden.
Das sind nicht nur Physik-Trivia. Zu verstehen, wie diese Markierungen entstehen, könnte die Art und Weise verändern, wie wir Materialien entwerfen, die auf ihre Umgebung reagieren. Es könnte auch als physikalisches Modell für die Neurowissenschaften dienen. Wie überschreibt das Kurzzeitgedächtnis das Langzeitgedächtnis? Eine Suspension von Partikeln in einer dicken Flüssigkeit scheint eine wörtliche Antwort zu bieten.
Forscher der Penn State University fanden heraus, dass in einfachen Suspensionen zwei konkurrierende Erinnerungen nebeneinander existieren können. Sie kämpfen. Sie verändern sich gegenseitig. Und manchmal tötet einer den anderen.
Wenn Erinnerungen kollidieren
Die Studie konzentriert sich auf nicht-Brownsche Suspensionen. Denken Sie an Schokoladensirup oder nassen Beton. Große Partikel schweben in einer viskosen Flüssigkeit. Sie sind zu schwer für die Brownsche Bewegung – den nervösen Tanz, der durch thermische Energie angetrieben wird. Stattdessen wird ihre Bewegung durch äußere Kräfte diktiert. Rühren. Zittern.
Frühere Arbeiten zeigten, dass diese Mischungen spezifische Daten behalten. Wenn man sie rührt, prägt sich eine Richtungserinnerung ein. Wenn Sie sie hin und her schaukeln, wird die Amplitude oder Stärke dieser Bewegung aufgezeichnet. Bisher wurde jede Erinnerung isoliert untersucht.
Surendra Padamata, der leitende Doktorand des Projekts, brachte es auf den Punkt: „Wenn Sie eine Datei auf Ihrem Computer speichern, hat dieser neue Speicher keinen Einfluss auf andere Dateien, die sich bereits dort befinden. Aber in den Neurowissenschaften wissen wir, dass sich ein Langzeitgedächtnis im Laufe der Zeit ändern kann.“
Stellen Sie sich ein Buch vor, das Sie im Jugendalter gelesen haben. Dann ist es eine einfache Geschichte. Lesen Sie es Jahrzehnte später, nachdem das Leben Ihre Sichtweise verkompliziert hat und sich die Ebenen geändert haben. Neue kurzfristige Erfahrungen verändern die Interpretation alter Daten.
Das Team wollte herausfinden, ob sich Materie so verhält. Kann sich ein Material sowohl an die Stelle als auch an die Stärke des Drucks erinnern? Und was passiert, wenn diese Erinnerungen in Konflikt geraten?
Die Vergangenheit löschen
Die Antwort liegt in der Intensität.
In Experimenten, die in Physical Review Letters veröffentlicht und als Vorschlag eines Herausgebers ausgewählt wurden, rührten die Forscher zunächst die Suspension um. Dies sicherte einen Richtungsrekord. Dann schüttelten sie die Mischung mit unterschiedlicher Intensität.
Durch sanftes Schaukeln blieben beide Erinnerungen erhalten. Die Suspension erinnerte sich an das anfängliche Rühren und die sanfte Schwingung.
Aber die Heizung aufgedreht? Im wahrsten Sinne des Wortes der Antrag.
Als das Schaukeln stärker wurde, begann das Richtungsgedächtnis zu verblassen. Es wurde nicht nur schwächer. Es ist verschwunden. Ab einer bestimmten Schwelle löschte die neue Bewegung den vorherigen Pfad vollständig aus und brachte die Aufhängung in einen vollkommen symmetrischen, leeren Zustand zurück.
„Jenseits dieser Schwelle beginnt das Schaukeln selbst eine neue Richtungserinnerung zu erzeugen“, bemerkte Padamata. Die alte Platte war weg. Der Neue übernahm.
Warum Wettbewerb stattfindet
Warum löscht eine Erinnerung die andere? Das Team schlägt einen einfachen mechanischen Grund vor: die Häufigkeit des Kontakts.
Bei schwachem Schaukeln stoßen die Partikel nicht oft genug aneinander, um die bestehende Struktur zu zerstören. Beide Erinnerungen bleiben bestehen.
Aber starke Schaukelkräfte sind häufig und es kommt zu gewalttätigen Begegnungen. Die Partikel verändern die Konfiguration zu schnell, als dass der ältere Richtungsverlauf bestehen bleiben könnte. Das System wird zurückgesetzt.
Diese Begrenzung der Speicherkapazität könnte universell sein. Es kommt nicht nur in Flüssigkeiten vor. Nathan Keim, außerordentlicher Professor und Teamleiter, weist darauf hin, dass ähnliche Richtungs- und Amplitudenerinnerungen in weichen Gläsern und körnigen Packungen auftreten. Diese Materialien weisen eine sehr unterschiedliche mikroskopische Physik auf. Dennoch teilen sie diese Einschränkung.
Ungeordnete Materie scheint einen begrenzten Aktenschrank zu haben. Es kann nicht unendlich viele konkurrierende Eingaben sortieren.
Jenseits des Labortischs
Die Implikationen reichen weit über physikalische Fachzeitschriften hinaus.
Keim schlägt vor, dass diese Erkenntnisse das biologische Gedächtnis modellieren könnten. Oder vielleicht Geophysik. Stellen Sie sich Gesteinsschichten vor, die „Erinnerungen“ an vergangene Temperaturschwankungen oder Vibrationen bewahren. Könnten diese internen Markierungen Erdbebenrisiken vorhersagen? Sinkhole stürzt ein?
Wenn sich Steine erinnern, könnten wir diese gefährlichen Erinnerungen vielleicht löschen. Wir könnten einen Weg finden, die Belastung zurückzusetzen, das geologische Risiko zu verringern oder bessere Vorhersagemodelle für katastrophengefährdete Gebiete zu entwickeln.
Das Human Frontier Science Program finanzierte diesen Blick auf die Sturheit der Materie. Die Ergebnisse sind krass. Die Erinnerung in der Materie ist kein statisches Archiv. Es ist ein Schlachtfeld.
Und manchmal gewinnt die lauteste Stimme.
