Entropi, mängden molekylär störning, produceras i flera system men kan inte mätas direkt. En ekvation utvecklad av forskare vid Chalmers tekniska högskola i Sverige, och Heinrich Heine University Düsseldorf, kastar nu nytt ljus över hur entropi produceras på mycket kort tidsskala i laserexciterade material.
"Nya beräkningsmodeller ger oss nya forskningsmöjligheter. Att utöka termodynamiken för ultrakorta excitationer kommer att ge nya insikter om hur material fungerar på nanoskala", säger Matthias Geilhufe, biträdande professor vid institutionen för fysik vid Chalmers tekniska högskola.
Entropi är ett mått på irreversibilitet och oordning och är central inom termodynamiken. För två århundraden sedan var det en del av ett konceptuellt genombrott, som byggde det teoretiska ramverket för maskiner, grundläggande för den industriella revolutionen. Idag ser vi framsteg inom nya områden av nano- och kvantenheter, men fortfarande är entropi ett centralt begrepp.
"Ett system vill vanligtvis utvecklas till ett tillstånd med stor oordning, d.v.s. maximal entropi. Det kan jämföras med en sockerbit som löses upp i ett glas. Medan sockret löses upp ökar systemet som består av vatten och socker långsamt sin entropi. Det omvända process – en spontan bildning av en sockerbit – observeras aldrig”, säger Matthias Geilhufe.
"Om vi vänder oss till hur entropi bildas i enheter måste de alla slås på och av, eller måste flytta något från A till B. Som en konsekvens produceras entropi. I vissa fall skulle vi vilja minimera entropiproduktion, till exempel för att undvika informationsförlust”, säger Matthias Geilhufe.
Även om entropi har blivit ett väletablerat begrepp, kan det inte mätas direkt. Emellertid har Matthias Geilhufe tillsammans med forskarna Lorenzo Caprini och Hartmut Löwen vid Heinrich Heine University Düsseldorf utvecklat en beräkningsmodell för att mäta entropiproduktion på en mycket kort tidsskala i laserexciterade kristallina material. Deras artikel, "Ultrafast entropy production in pump-probe experiments," publicerades i Nature Communications .
Kristallina material är väsentliga för olika tekniker som överför och lagrar information under korta perioder, såsom halvledare i datorer eller magnetiska lagringsutrymmen. Dessa material är uppbyggda av ett vanligt kristallint gitter, varvid atomer ordnar sig i upprepade mönster.
Laserljus kan skaka atomerna till en kollektiv rörelse som fysiker kallar fononer. Förvånande nog beter sig fononer ofta som om de vore en partikel. De kallas kvasipartiklar, för att skilja dem från faktiska partiklar som elektroner eller joner.
Vad forskarna nu har upptäckt är att fononerna – gittervibrationerna i de kristallina materialen – kan producera entropi på samma sätt som bakterier i vatten, vilket visat sig i tidigare forskning inom biologisk fysik av Caprini och Löwen.
Genom själva karaktären av att fononen är en kvasipartikel i en kristall kan det visas att samma matematiska mönster gäller som för deras biologiska motsvarigheter i vatten. Denna insikt bestämmer exakt entropin och värmeproduktionen i laserexciterade material och låter oss förstå eller till och med ändra deras egenskaper vid behov.
Forskarnas beräkningsmodell kan även appliceras på andra typer av materialexcitationer och öppnar därmed ett nytt perspektiv inom forskningen om ultrasnabba material.
"I det långa loppet kan denna kunskap vara användbar för att skräddarsy framtida teknologier, eller leda till nya vetenskapliga rön", säger Matthias Geilhufe.
Mer information: Lorenzo Caprini et al, Ultrasnabb entropiproduktion i pump-probe-experiment, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44277-w
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Chalmers tekniska högskola
