Spintronics och andra teknologier som utnyttjar fysiken hos små magneter och deras interaktioner används redan i läshuvuden på hårddiskar och, på senare tid, inbäddat minne som används i smartphones för deras lågeffektdrift. Sådan teknik kan en dag användas i andra beräkningstillämpningar, särskilt när energieffektivitet och miniatyrisering blir allt viktigare.
Termodynamik är en grundläggande gren av fysiken som styr många aspekter av materialbeteende, från en metallsked som värms upp i en varm kopp kaffe till hur gaser expanderar och utövar tryck. På mikroskalan, där kvantmekaniken regerar och traditionell fysik kommer till korta, upptäckte forskare tidigare spinnrelaterade effekter som verkade annorlunda än vanlig termodynamik, som studerar jämviktstillstånd hos system.
"Det antogs tidigare att i icke-jämviktstillstånd - där energi ständigt pumpas in i eller extraheras från systemet - inte kan termodynamik tillämpas", säger Joseph Heremans, seniorförfattare till tidningen och Purdues Francis Hobart Vinton eminenta professor i maskinteknik. "Vad vi fann är att spinnande magnetiska nanopartiklar beter sig enligt samma lagar som molekyler i en gas."
Denna upptäckt banar väg för framtida forskning om termodynamiska principer för materia i kvantskala, som fortfarande är en underutforskad gräns. Resultaten överensstämmer med ansträngningar från Heremans och hans team för att utveckla ett bättre teoretiskt ramverk som närmare approximerar beteendet hos material i verklig nanoskala.
Forskargruppen använde en beräkningsmetod för att modellera ett system av magnetiska nanopartiklar suspenderade i en vätska. När de utsätts för ett oscillerande magnetfält, som utövar vridmoment, skulle nanopartiklarna börja snurra. Ju snabbare de snurrade, desto varmare blev de. Detta fynd fick forskarna att inse att de snurrande partiklarna, som fungerar som om de vore individuella atomer eller molekyler, i själva verket betedde sig som en gas som lydde termodynamikens lagar.
"Huvudmålet med denna forskning var att försöka överbrygga klyftan mellan grundläggande fysik och praktiska enhetstillämpningar", säger Heremans. "När det kommer till praktiska anordningar, mäter vi inte ofta partiklar individuellt:Vi mäter det totala beteendet för hela materialet, vilket är anledningen till att vi använder begrepp som temperatur, tryck och värmeflöde."
Studien publicerades i Physical Review Letters den 24 februari.
