Ingeniører viser, at roterende magnetiske partikler overraskende følger termodynamiske love

Spinnende magnetiske partikler udviser adfærd svarende til molekyler i en gas, hvilket viser, at grundlæggende termodynamiske love gælder for roterende systemer på mikroskalaen, ifølge en Purdue University-ledet undersøgelse.

Spintronics og andre teknologier, der udnytter fysikken i bittesmå magneter og deres interaktioner, bruges allerede i læsehoveder på harddiske og, for nylig, indlejret hukommelse, der bruges i smartphones til deres lavenergidrift. Sådan teknologi kan en dag blive brugt i andre beregningsmæssige applikationer, især da energieffektivitet og miniaturisering bliver stadig vigtigere.

Termodynamik er en grundlæggende gren af ​​fysikken, der styrer mange aspekter af materialeadfærd, fra en metalske, der opvarmes i en varm kop kaffe til den måde, gasser udvider sig og udøver tryk på. På mikroskalaen, hvor kvantemekanikken regerer og traditionel fysik kommer til kort, opdagede forskere tidligere spin-relaterede effekter, der så ud til at være anderledes end almindelig termodynamik, som studerer systemers ligevægtstilstande.

"Det blev tidligere antaget, at i ikke-ligevægtstilstande - hvor energi konstant pumpes ind i eller udvindes fra systemet - kan termodynamik ikke anvendes," sagde Joseph Heremans, seniorforfatter af papiret og Purdues Francis Hobart Vinton Eminent Professor of Mechanical Engineering. "Det, vi fandt, er, at roterende magnetiske nanopartikler opfører sig efter de samme love som molekyler i en gas."

Denne opdagelse baner vejen for fremtidig forskning i termodynamiske principper for stof på kvanteskalaen, som fortsat er en underudforsket grænse. Resultaterne stemmer overens med Heremans og hans teams indsats for at udvikle en bedre teoretisk ramme, der tættere tilnærmer opførselen af ​​materialer i nanoskala i den virkelige verden.

Forskerholdet brugte en beregningsmetode til at modellere et system af magnetiske nanopartikler suspenderet i en væske. Når de udsættes for et oscillerende magnetfelt, som udøver drejningsmoment, ville nanopartiklerne begynde at spinde. Jo hurtigere de snurrede, jo varmere blev de. Denne opdagelse fik forskerne til at indse, at de roterende partikler, der opførte sig som om de var individuelle atomer eller molekyler, faktisk opførte sig som en gas, der adlød termodynamikkens love.

"Hovedmålet med denne forskning var at forsøge at bygge bro mellem grundlæggende fysik og praktiske enhedsapplikationer," sagde Heremans. "Når det kommer til praktiske enheder, måler vi ikke ofte partikler individuelt:Vi måler den samlede opførsel af hele materialet, og derfor bruger vi begreber som temperatur, tryk og varmeflux."

Undersøgelsen blev offentliggjort i Physical Review Letters den 24. februar.