Nanomagnet-arrays kan ordne sig selv ved at øge entropien uden at overtræde termodynamiske love

Ekstremt små arrays af magneter med mærkelige og usædvanlige egenskaber kan ordne sig selv ved at øge entropi, eller fysiske systemers tendens til uorden, en adfærd, der ser ud til at modsige standard termodynamik - men ikke gør det.

"Paradoksalt nok bestiller systemet, fordi det ønsker at være mere uordnet," sagde Cristiano Nisoli, fysiker ved Los Alamos og medforfatter til en artikel om forskningen i Nature Physics . "Vores forskning viser entropi-drevet orden i et struktureret system af magneter i ligevægt."

Systemet undersøgt i dette arbejde, kendt som tetris spin ice, blev undersøgt som en del af et mangeårigt samarbejde mellem Nisoli og Peter Schiffer ved Yale University, med teoretiske analyser og simuleringer ledet ved Los Alamos og eksperimentelt arbejde ledet ved Yale. Forskerholdet omfatter forskere fra en række universiteter og akademiske institutioner.

Nanomagnet-arrays, som tetris spin-is, viser løfte som kredsløb af logiske porte i neuromorfisk databehandling, en førende computerarkitektur, der tæt efterligner, hvordan hjernen fungerer. De har også mulige anvendelser i en række højfrekvente enheder ved hjælp af "magnonics", der udnytter magnetismens dynamik på nanoskalaen.

Entropi er et mål for tilstanden af ​​uorden, tilfældighed eller usikkerhed i et fysisk system. En væske har for eksempel høj entropi, fordi dens molekyler ved varme temperaturer – høj energi – frit kan bevæge sig rundt på en tilfældig, uordnet måde.

Men når væsker afkøles til at danne faste stoffer, falder molekylerne til ro og beordrer sig selv gennem interaktioner for at optimere deres energi. De kan arrangere sig selv i et krystalgitter i kun et begrænset antal konfigurationer. Dette sænker deres entropi:de er højt ordnet.

Nogle systemer er dog ikke så enkle. Dele af systemet afvikles på en velordnet måde, men andre gør det ikke. Disse "frustrerede" systemer bevarer uorden.

Tetris spin-is, som er sammensat af 2D-arrays af meget små magneter, der interagerer, men er frustrerede, er en mærkelig blanding af de to tilfælde. De magnetiske polorienteringer frustrerede på en sådan måde, at systemet bevarer en vis orden, mens det forbliver uordnet. Ved lav temperatur nedbrydes det til skiftevis ordnede og uordnede striber.

Det tilsyneladende paradoks med stigende entropi med stigende orden er løst af den entropiske interaktion mellem de vekslende lag. Ved gensidig bestilling af de ordnede striber øger systemet uordenen i de øvrige striber. Ordningen sker således uden noget fald i energi, men via en stigning i entropi.

"Ingen lov om termodynamik er virkelig brudt," sagde Nisoli. "Konceptet om, at systemer ordner ved at reducere entropi, gælder for de fleste systemer, men, som vi viser, ikke for alle. Vores system er eksotisk og opfører sig kontraintuitivt, hvor en stigning i entropi, et mål for uorden, er driveren til synlig orden. " + Udforsk yderligere

Ny teori om entropi kan løse materialedesignproblemer