Extremt små uppsättningar av magneter, kända som tetris spin ice (visas här), kan beställa sig själva genom att öka deras störning. Kredit:University of Illinois at Urbana-Champaign
Extremt små uppsättningar av magneter med konstiga och ovanliga egenskaper kan ordna sig själva genom att öka entropin, eller fysiska systems tendens till oordning, ett beteende som verkar motsäga standard termodynamik – men inte gör det.
"Paradoxalt nog ordnar systemet för att det vill vara mer oordnat", säger Cristiano Nisoli, fysiker vid Los Alamos och medförfattare till en artikel om forskningen i Nature Physics . "Vår forskning visar entropi-driven ordning i ett strukturerat system av magneter i jämvikt."
Systemet som undersökts i detta arbete, känt som tetris spin ice, studerades som en del av ett långvarigt samarbete mellan Nisoli och Peter Schiffer vid Yale University, med teoretisk analys och simuleringar ledda vid Los Alamos och experimentellt arbete ledde vid Yale. I forskargruppen ingår forskare från ett antal universitet och akademiska institutioner.
Nanomagnetmatriser, som tetris spin ice, visar löfte som kretsar av logiska grindar i neuromorfisk beräkning, en ledande datorarkitektur som nära efterliknar hur hjärnan fungerar. De har också möjliga tillämpningar i ett antal högfrekventa enheter som använder "magnonics" som utnyttjar magnetismens dynamik på nanoskala.
Entropi är måttet på tillståndet av oordning, slumpmässighet eller osäkerhet i ett fysiskt system. En vätska, till exempel, har hög entropi eftersom dess molekyler vid varma temperaturer – hög energi – är fria att röra sig runt på ett slumpmässigt, oordnat sätt.
Men när vätskor kyls för att bilda fasta ämnen, lugnar molekylerna ner sig och beordrar sig själva genom interaktioner för att optimera sin energi. De kan ordna sig i ett kristallgitter i endast ett begränsat antal konfigurationer. Detta sänker deras entropi:de är högt ordnade.
Vissa system är dock inte så enkla. Delar av systemet löser sig på ett ordnat sätt, men andra gör det inte. Dessa "frustrerade" system behåller oordning.
Tetris spin ice, som är sammansatt av 2D-arrayer av mycket små magneter som interagerar men är frustrerade, är en märklig blandning av de två fallen. De magnetiska polorienteringarna frustrerade på ett sådant sätt att systemet bibehåller en viss ordning samtidigt som det förblir oordnat. Vid låg temperatur sönderfaller den till omväxlande ordnade och oordnade ränder.
Den uppenbara paradoxen med ökande entropi med ökande ordning löses av den entropiska interaktionen mellan de alternerande lagren. Genom ömsesidig ordning av de ordnade ränderna ökar systemet oordningen i de andra ränderna. Ordning sker alltså utan någon minskning av energin, utan via en ökning av entropin.
"Ingen termodynamisk lag är verkligen bruten," sa Nisoli. "Konceptet att system ordnar genom att reducera entropi gäller för de flesta system, men, som vi visar, inte för alla. Vårt system är exotiskt och beter sig kontraintuitivt, med en ökning av entropi, ett mått på oordning, som driver på synlig ordning. " + Utforska vidare
