Ny metod för att mäta entropiproduktion på nanoskalan

Entropi, ett mått över oåterkallelighet, är centralt inom termodynamiken. För två århundraden sedan var det en del av ett konceptuellt genombrott som byggde det teoretiska ramverket för de maskiner som var avgörande för den industriella revolutionen. Idag görs framsteg inom nya områden, som nano- eller kvantenheter, men entropi är fortsatt ett avgörande koncept.

– Ett system vill vanligtvis utvecklas till ett stadium av maximal entropi. Det kan jämföras med en sockerbit som löses upp i ett glas vatten. Medan sockret blir upplöst fylls systemet, som är uppbyggt av vatten och socker, sakta med ökad entropi. Det motsatta, en spontan formering av en sockerbit, observeras å andra sidan aldrig, säger Matthias Geilhufe, forskarassistent vid institutionen för fysik vid Chalmers tekniska högskola.

En beräkningsmodell för entropi

– Om vi tittar på hur entropi uppstår i olika enheter, så behöver de sättas på eller stängas av, eller förflytta något från A till B. Som en konsekvens av det produceras entropi. Ibland önskar man minimera denna entropiproduktion, till exempel för att undvika informationsförluster, säger Matthias Geilhufe.

Entropi må ha blivit ett väletablerat koncept, men det går inte att mäta direkt. Men Matthias Geilhufe har, tillsammans med forskarna Lorenzo Caprini och Hartmut Löwen vid Heinrich Heine-universitetet Düsseldorf, utvecklat en beräkningsmodell för att mäta entropiproduktion på en väldigt kort tidsskala i laserexciterade kristallina material. Deras forskning publicerades nyligen i en vetenskaplig artikel i Nature Communications.

Fononer i kristallina material kan producera entropi

Kristallina material är essentiella i en mängd teknologier som överför eller lagrar information under korta perioder, såsom halvledare i datorer eller magnetiska lagringsutrymmen. Dessa material består av en regelbunden kristallin gitterstruktur, där atomer är arrangerade i upprepande mönster. Med laserljus kan dessa atomer skakas till en samfälld rörelse, som fysiker kallar för fononer. Förvånansvärt 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 upptäckt, är att fononerna – gittervibrationerna i de kristallina materialen – kan producera entropi på samma sätt som bakterier i vatten, vilket visats i tidigare forskning inom biologisk fysik av Caprini och Löwen. Genom att fononer är kvasipartiklar i kristaller kan man visa att samma matematiska mönster gäller som för deras biologiska motsvarigheter i vatten. Denna insikt bestämmer exakt entropin och värmeproduktionen i laseraktiverade material och gör det möjligt för oss att förstå eller till och med ändra deras egenskaper på begäran.

Nya perspektiv på ultrasnabba material

Forskarnas beräkningsmodell kan också tillämpas på andra typer av materialexcitationer och öppnar därmed nya perspektiv inom forskningsområdet för ultrasnabba material.
– På lång sikt kan dessa kunskaper vara användbara för att skräddarsy framtida teknologier, eller leda till nya vetenskapliga upptäckter, säger Matthias Geilhufe.

 

 

Mer om forskningen:

Den vetenskapliga artikeln Ultrafast entropy production in pump-probe experiments publicerades i Nature Communications den 2 januari, 2024. Den är skriven av R. Matthias Geilhufe, Chalmers tekniska högskola, och Lorenzo Caprini och Hartmut Löwen, Heinrich Heine-universitetet Düsseldorf. Lorenzo Caprini är för närvarande verksam vid La Sapienza-universitetet i Rom.

Kontakt:

Matthias Geilhufe, forskarassistent, institutionen för fysik, Chalmers
matthias.geilhufe@chalmers.se

Hartmut Löwen, professor, Institut für Theoretische Physik II: Soft Matter, Heinrich-Heine-universitetet Düsseldorf 
hlowen@hhu.de

Lorenzo Caprini, assistant professor, institutionen för fysik, La Sapienza-universitetet i Rom
lorenzo.caprini@uniroma1.it