Gli array di nanomagneti possono ordinarsi aumentando l’entropia, senza violare le leggi della termodinamica

Matrici estremamente piccole di magneti, note come tetris spin ice (mostrato qui), possono ordinarsi aumentando il loro disordine. Credito: Università dell’Illinois a Urbana-Champaign

Matrici estremamente piccole di magneti con proprietà strane e insolite possono ordinarsi aumentando l’entropia o la tendenza dei sistemi fisici al disordine, un comportamento che sembra contraddire la termodinamica standard, ma non lo è.

“Paradossalmente, il sistema ordina perché vuole essere più disordinato”, ha detto Cristiano Nisoli, fisico di Los Alamos e coautore di un articolo sulla ricerca in Fisica della natura. “La nostra ricerca dimostra l’ordine guidato dall’entropia in un sistema strutturato di magneti in equilibrio”.

Il sistema esaminato in questo lavoro, noto come tetris spin ice, è stato studiato nell’ambito di una collaborazione di lunga data tra Nisoli e Peter Schiffer presso l’Università di Yale, con analisi teoriche e simulazioni condotte a Los Alamos e un lavoro sperimentale condotto a Yale. Il gruppo di ricerca comprende scienziati di numerose università e istituzioni accademiche.

Gli array di nanomagneti, come il tetris spin ice, si mostrano promettenti come circuiti di porte logiche nel calcolo neuromorfico, un’architettura di calcolo all’avanguardia che imita da vicino il funzionamento del cervello. Hanno anche possibili applicazioni in numerosi dispositivi ad alta frequenza che utilizzano “magnonics” che sfruttano la dinamica del magnetismo su scala nanometrica.

L’entropia è la misura dello stato di disordine, casualità o incertezza in un sistema fisico. Un liquido, ad esempio, ha un’elevata entropia perché a temperature calde – ad alta energia – le sue molecole sono libere di muoversi in modo casuale e disordinato.

Ma quando i liquidi vengono raffreddati per formare solidi, le molecole si calmano e si ordinano attraverso le interazioni per ottimizzare la loro energia. Possono disporsi in un reticolo cristallino solo in un numero limitato di configurazioni. Questo abbassa la loro entropia: sono altamente ordinati.

Alcuni sistemi, tuttavia, non sono così semplici. Parti del sistema si sistemano in modo ordinato, ma altre no. Questi sistemi “frustrati” conservano il disordine.

Tetris spin ice, che è composto da array 2D di magneti molto piccoli che interagiscono ma sono frustrati, è uno strano mix dei due casi. Gli orientamenti dei poli magnetici sono frustrati in modo tale che il sistema mantenga un certo ordine pur rimanendo disordinato. A bassa temperatura si decompone in strisce alternate ordinate e disordinate.

L’apparente paradosso dell’aumento dell’entropia all’aumentare dell’ordine è risolto dall’interazione entropica tra gli strati alternati. Con l’ordinamento reciproco delle strisce ordinate, il sistema aumenta il disordine nelle altre strisce. Pertanto, l’ordine avviene senza alcuna diminuzione di energia, ma tramite un aumento di entropia.

“Nessuna legge della termodinamica è veramente infranta”, ha detto Nisoli. “Il concetto che i sistemi ordinano riducendo l’entropia si applica alla maggior parte dei sistemi, ma, come mostriamo, non a tutti. Il nostro sistema è esotico e si comporta in modo controintuitivo, con un aumento dell’entropia, una misura del disordine, essendo il motore dell’ordine visibile. ”


La nuova teoria dell’entropia può risolvere i problemi di progettazione dei materiali


Maggiori informazioni:
Hilal Saglam et al, Ordine guidato dall’entropia in una matrice di nanomagneti, Fisica della natura (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01555-6

Fornito da Los Alamos National Laboratory

Citazione: Gli array di nanomagneti possono ordinarsi aumentando l’entropia, senza violare le leggi della termodinamica (2022, 8 aprile) recuperate l’8 aprile 2022 da https://phys.org/news/2022-04-nanomagnet-arrays-entropy-violating-thermodynamics.html

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