Draaiende magnetische deeltjes vertonen gedrag dat vergelijkbaar is met dat van moleculen in een gas, wat aantoont dat fundamentele thermodynamische wetten van toepassing zijn op roterende systemen op microschaal, volgens een door Purdue University geleid onderzoek.

Spintronica en andere technologieën die de fysica van kleine magneten en hun interacties benutten, worden al gebruikt in leeskoppen in harde schijven en, meer recentelijk, in ingebed geheugen dat in smartphones wordt gebruikt vanwege hun energiezuinige werking. Dergelijke technologie kan op een dag in andere computertoepassingen worden gebruikt, vooral omdat energie-efficiëntie en miniaturisatie steeds belangrijker worden.

Thermodynamica is een fundamentele tak van de natuurkunde die veel aspecten van materiaalgedrag regelt, van het verwarmen van een metalen lepel in een warme kop koffie tot de manier waarop gassen uitzetten en druk uitoefenen. Op microschaal, waar de kwantummechanica de boventoon voert en de traditionele natuurkunde tekortschiet, ontdekten wetenschappers eerder spin-gerelateerde effecten die anders leken dan de reguliere thermodynamica, die evenwichtstoestanden van systemen bestudeert.

"Eerder werd aangenomen dat in niet-evenwichtstoestanden - waar voortdurend energie in het systeem wordt gepompt of eraan wordt onttrokken - thermodynamica niet kan worden toegepast", zegt Joseph Heremans, de senior auteur van het artikel en Purdue's Francis Hobart Vinton Eminent Professor of Mechanical Engineering. "Wat we hebben ontdekt is dat draaiende magnetische nanodeeltjes zich volgens dezelfde wetten gedragen als moleculen in een gas."

Deze ontdekking maakt de weg vrij voor toekomstig onderzoek naar thermodynamische principes van materie op kwantumschaal, wat een onderontwikkeld grensgebied blijft. De bevindingen sluiten aan bij de inspanningen van Heremans en zijn team om een ​​beter theoretisch raamwerk te ontwikkelen dat het gedrag van materialen op nanoschaal in de echte wereld beter benadert.

Het onderzoeksteam gebruikte een computationele benadering om een ​​systeem van magnetische nanodeeltjes gesuspendeerd in een vloeistof te modelleren. Wanneer ze worden blootgesteld aan een oscillerend magnetisch veld, dat koppel uitoefent, beginnen de nanodeeltjes te draaien. Hoe sneller ze ronddraaiden, hoe heter ze werden. Deze bevinding bracht de onderzoekers ertoe te beseffen dat de draaiende deeltjes, die zich gedroegen alsof het individuele atomen of moleculen waren, zich in feite gedroegen als een gas dat de wetten van de thermodynamica gehoorzaamde.

"Het belangrijkste doel van dit onderzoek was om te proberen de kloof te overbruggen tussen fundamentele fysica en praktische apparaattoepassingen", aldus Heremans. "Als het om praktische apparaten gaat, meten we deeltjes niet vaak afzonderlijk:we meten het totale gedrag van het hele materiaal, daarom gebruiken we concepten als temperatuur, druk en warmteflux."

De studie werd op 24 februari gepubliceerd in Physical Review Letters.