Ny metode til at måle entropiproduktion på nanoskala

Entropi, mængden af ​​molekylær lidelse, produceres i flere systemer, men kan ikke måles direkte. En ligning udviklet af forskere ved Chalmers Tekniske Universitet i Sverige og Heinrich Heine Universitetet i Düsseldorf, kaster nu nyt lys over, hvordan entropi produceres på en meget kort tidsskala i laserexciterede materialer.

"Nye beregningsmodeller giver os nye forskningsmuligheder. Udvidelse af termodynamik til ultrakorte excitationer vil give ny indsigt i, hvordan materialer fungerer på nanoskalaen," siger Matthias Geilhufe, adjunkt ved Institut for Fysik ved Chalmers Tekniske Universitet.

Entropi er et mål for irreversibilitet og uorden og er central i termodynamikken. For to århundreder siden var det en del af et konceptuelt gennembrud, der byggede den teoretiske ramme for maskiner, som var fundamental for den industrielle revolution. I dag ser vi fremskridt inden for nye områder af nano- og kvanteenheder, men stadig er entropi et centralt begreb.

"Et system ønsker normalt at udvikle sig til en tilstand med stor uorden, dvs. maksimal entropi. Det kan sammenlignes med en sukkerterning, der opløses i et glas. Mens sukkeret opløses, øger systemet bestående af vand og sukker langsomt sin entropi. Det omvendte proces - en spontan dannelse af en sukkerbit - observeres aldrig," siger Matthias Geilhufe.

En beregningsmodel for entropi

"Hvis vi vender os mod, hvordan entropi dannes i enheder, skal de alle tændes og slukkes, eller de skal flytte noget fra A til B. Som en konsekvens heraf produceres entropi. I nogle tilfælde vil vi gerne minimere entropiproduktion, for eksempel for at undgå tab af information,« siger Matthias Geilhufe.

Mens entropi er blevet et veletableret begreb, kan det ikke måles direkte. Imidlertid har Matthias Geilhufe sammen med forskerne Lorenzo Caprini og Hartmut Löwen ved Heinrich Heine Universitetet i Düsseldorf udviklet en beregningsmodel til at måle entropiproduktion på en meget kort tidsskala i laserexciterede krystallinske materialer. Deres papir, "Ultrafast entropy production in pump-probe experiments," blev offentliggjort i Nature Communications .

Fononer i krystallinske materialer kan producere entropi

Krystallinske materialer er essentielle for forskellige teknologier, der overfører og lagrer information over korte perioder, såsom halvledere i computere eller magnetiske lagerpladser. Disse materialer er opbygget af et regulært krystallinsk gitter, hvorved atomer arrangeres i gentagne mønstre.

Laserlys kan ryste atomerne til en kollektiv bevægelse, som fysikere kalder fononer. Forbløffende nok opfører fononer sig ofte, som om de var en partikel. De kaldes kvasipartikler for at skelne dem fra faktiske partikler som elektroner eller ioner.

Hvad forskerne nu har opdaget er, at fononerne – gittervibrationerne i de krystallinske materialer – kan producere entropi på samme måde som bakterier i vand, som vist af tidligere forskning i biologisk fysik udført af Caprini og Löwen.

Ved selve naturen af ​​fononen er en kvasipartikel i en krystal kan det vises, at det samme matematiske mønster gælder som for deres biologiske modstykker i vand. Denne indsigt bestemmer præcist entropien og varmeproduktionen i laserexciterede materialer og giver os mulighed for at forstå eller endda ændre deres egenskaber efter behov.

Forskernes beregningsmodel kan også anvendes på andre typer materialeexcitationer og åbner dermed et nyt perspektiv inden for forskning i ultrahurtige materialer.

"På længere sigt kan denne viden være nyttig til at skræddersy fremtidige teknologier eller føre til nye videnskabelige fund," siger Matthias Geilhufe.

Flere oplysninger: Lorenzo Caprini et al., Ultrahurtig entropiproduktion i pumpe-probe eksperimenter, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44277-w

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Chalmers University of Technology