"Nieuwe computermodellen bieden ons nieuwe onderzoeksmogelijkheden. Het uitbreiden van de thermodynamica voor ultrakorte excitaties zal nieuwe inzichten opleveren in hoe materialen op nanoschaal functioneren", zegt Matthias Geilhufe, universitair docent bij de afdeling natuurkunde van de Chalmers University of Technology.

Entropie is een maatstaf voor onomkeerbaarheid en wanorde en staat centraal in de thermodynamica. Twee eeuwen geleden maakte het deel uit van een conceptuele doorbraak, waarbij het theoretische raamwerk voor machines werd gebouwd, fundamenteel voor de industriële revolutie. Tegenwoordig zien we vooruitgang op nieuwe gebieden van nano- en kwantumapparaten, maar toch is entropie een cruciaal concept.

“Een systeem wil gewoonlijk evolueren naar een toestand met grote wanorde, dat wil zeggen maximale entropie. Het kan worden vergeleken met een suikerklontje dat oplost in een glas. Terwijl de suiker oplost, verhoogt het systeem bestaande uit water en suiker langzaam zijn entropie. Het omgekeerde proces – een spontane vorming van een suikerklontje – wordt nooit waargenomen", zegt Matthias Geilhufe.

Een computationeel model voor entropie

"Als we kijken naar de manier waarop entropie in apparaten wordt gevormd, moeten ze allemaal aan en uit worden gezet, of moeten ze iets van A naar B verplaatsen. Als gevolg daarvan wordt entropie geproduceerd. In sommige gevallen willen we de impact minimaliseren entropieproductie, bijvoorbeeld om informatieverlies te voorkomen", zegt Matthias Geilhufe.

Hoewel entropie een ingeburgerd concept is geworden, kan het niet rechtstreeks worden gemeten. Matthias Geilhufe heeft echter samen met onderzoekers Lorenzo Caprini en Hartmut Löwen van de Heinrich Heine Universiteit Düsseldorf een computationeel model ontwikkeld om de entropieproductie op zeer korte tijdschaal te meten in laser-geëxciteerde kristallijne materialen. Hun artikel, 'Ultrafast entropy production in pump-probe experiments', werd gepubliceerd in Nature Communications .

Fononen in kristallijne materialen kunnen entropie produceren

Kristallijne materialen zijn essentieel voor verschillende technologieën die informatie over korte perioden overbrengen en opslaan, zoals halfgeleiders in computers of magnetische opslagruimtes. Deze materialen bestaan ​​uit een regelmatig kristallijn rooster, waarbij atomen zich in herhalende patronen rangschikken.

Laserlicht kan de atomen schudden in een collectieve beweging die natuurkundigen fononen noemen. Verbazingwekkend genoeg gedragen fononen zich vaak alsof ze een deeltje zijn. Ze worden quasideeltjes genoemd, om ze te onderscheiden van echte deeltjes zoals elektronen of ionen.

Wat de onderzoekers nu hebben ontdekt, is dat de fononen – de roostervibraties in de kristallijne materialen – op dezelfde manier entropie kunnen produceren als bacteriën in water, zoals blijkt uit eerder onderzoek in de biologische fysica door Caprini en Löwen.

Juist door de aard van het fonon als quasideeltje in een kristal kan worden aangetoond dat hetzelfde wiskundige patroon geldt als voor hun biologische tegenhangers in water. Dit inzicht bepaalt nauwkeurig de entropie en warmteproductie in laser-geëxciteerde materialen en stelt ons in staat hun eigenschappen op verzoek te begrijpen of zelfs te veranderen.

Het rekenmodel van de onderzoekers kan ook worden toegepast op andere soorten materiaalexcitaties en opent daarmee een nieuw perspectief op het gebied van onderzoek naar ultrasnelle materialen.

"Op de lange termijn kan deze kennis nuttig zijn voor het afstemmen van toekomstige technologieën, of leiden tot nieuwe wetenschappelijke bevindingen", zegt Matthias Geilhufe.

Meer informatie: Lorenzo Caprini et al, Ultrasnelle entropieproductie in pomp-sonde-experimenten, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44277-w

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Chalmers University of Technology