Extreem kleine arrays van magneten met vreemde en ongebruikelijke eigenschappen kunnen zichzelf ordenen door de entropie te vergroten, of de neiging van fysieke systemen tot wanorde, een gedrag dat in tegenspraak lijkt met de standaard thermodynamica, maar dat niet doet.

"Paradoxaal genoeg ordent het systeem omdat het meer ongeordend wil zijn", zegt Cristiano Nisoli, een natuurkundige bij Los Alamos en co-auteur van een artikel over het onderzoek in Nature Physics . "Ons onderzoek toont entropiegestuurde ordening aan in een gestructureerd systeem van magneten in evenwicht."

Het systeem dat in dit werk wordt onderzocht, bekend als tetris spin-ijs, werd bestudeerd als onderdeel van een langdurige samenwerking tussen Nisoli en Peter Schiffer aan de Yale University, met theoretische analyse en simulaties onder leiding van Los Alamos en experimenteel werk onder leiding van Yale. Het onderzoeksteam bestaat uit wetenschappers van een aantal universiteiten en academische instellingen.

Nanomagneet-arrays, zoals tetris-spin-ijs, zijn veelbelovend als circuits van logische poorten in neuromorfe computing, een toonaangevende computerarchitectuur die nauw aansluit bij hoe de hersenen werken. Ze hebben ook mogelijke toepassingen in een aantal hoogfrequente apparaten die "magnonics" gebruiken die gebruikmaken van de dynamiek van magnetisme op nanoschaal.

Entropie is de maat voor de toestand van wanorde, willekeur of onzekerheid in een fysiek systeem. Een vloeistof heeft bijvoorbeeld een hoge entropie omdat bij warme temperaturen - hoge energie - de moleculen vrij zijn om op een willekeurige, ongeordende manier te bewegen.

Maar wanneer vloeistoffen worden afgekoeld om vaste stoffen te vormen, kalmeren de moleculen en ordenen ze zichzelf door interacties om hun energie te optimaliseren. Ze kunnen zich slechts in een beperkt aantal configuraties in een kristalrooster rangschikken. Dit verlaagt hun entropie:ze zijn zeer geordend.

Sommige systemen zijn echter niet zo eenvoudig. Delen van het systeem regelen zich op een ordelijke manier, maar andere niet. Deze "gefrustreerde" systemen behouden wanorde.

Tetris-spinijs, dat is samengesteld uit 2D-arrays van zeer kleine magneten die op elkaar inwerken maar gefrustreerd zijn, is een vreemde mix van de twee gevallen. De magnetische pooloriëntaties frustreerden zodanig dat het systeem enige orde behoudt terwijl het ongeordend blijft. Bij lage temperatuur valt het uiteen in afwisselend geordende en ongeordende strepen.

De schijnbare paradox van toenemende entropie met toenemende orde wordt opgelost door de entropische interactie tussen de afwisselende lagen. Door de geordende strepen onderling te ordenen, vergroot het systeem de wanorde in de andere strepen. Orde vindt dus plaats zonder enige afname van energie, maar via een toename van entropie.

"Geen enkele wet van de thermodynamica is echt gebroken," zei Nisoli. "Het concept dat systemen ordenen door entropie te verminderen, is van toepassing op de meeste systemen, maar, zoals we laten zien, niet op alle. Ons systeem is exotisch en gedraagt ​​​​zich contra-intuïtief, met een toename van entropie, een maatstaf voor wanorde, als de drijvende kracht achter zichtbare orde. " + Verder verkennen

Nieuwe theorie van entropie kan problemen met materiaalontwerp oplossen