La spintronica e altre tecnologie che sfruttano la fisica di minuscoli magneti e le loro interazioni sono già utilizzate nelle testine di lettura dei dischi rigidi e, più recentemente, nella memoria incorporata utilizzata negli smartphone per il loro funzionamento a basso consumo. Tale tecnologia potrebbe un giorno essere impiegata in altre applicazioni computazionali, soprattutto perché l’efficienza energetica e la miniaturizzazione diventeranno sempre più importanti.
La termodinamica è una branca fondamentale della fisica che governa molti aspetti del comportamento materiale, dal riscaldamento di un cucchiaio di metallo in una tazza di caffè caldo al modo in cui i gas si espandono ed esercitano pressione. Su scala microscopica, dove la meccanica quantistica regna sovrana e la fisica tradizionale non è all’altezza, gli scienziati avevano già scoperto effetti legati allo spin che apparivano diversi dalla normale termodinamica, che studia gli stati di equilibrio dei sistemi.
"In precedenza si presumeva che negli stati di non equilibrio - dove l'energia viene costantemente pompata o estratta dal sistema - la termodinamica non potesse essere applicata", ha affermato Joseph Heremans, l'autore senior dell'articolo e Francis Hobart Vinton Eminent Professor di Ingegneria Meccanica della Purdue. "Quello che abbiamo scoperto è che le nanoparticelle magnetiche rotanti si comportano secondo le stesse leggi delle molecole in un gas."
Questa scoperta apre la strada alla ricerca futura sui principi termodinamici della materia su scala quantistica, che rimane una frontiera sottoesplorata. I risultati sono in linea con gli sforzi di Heremans e del suo team per sviluppare un quadro teorico migliore che si avvicini più da vicino al comportamento dei materiali su scala nanometrica del mondo reale.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato un approccio computazionale per modellare un sistema di nanoparticelle magnetiche sospese in un fluido. Se sottoposte a un campo magnetico oscillante, che esercita una coppia, le nanoparticelle inizierebbero a ruotare. Più velocemente giravano, più diventavano caldi. Questa scoperta ha portato i ricercatori a rendersi conto che le particelle rotanti, agendo come se fossero singoli atomi o molecole, in realtà si comportavano come un gas obbedendo alle leggi della termodinamica.
"L'obiettivo principale di questa ricerca era cercare di colmare il divario tra la fisica fondamentale e le applicazioni pratiche dei dispositivi", ha affermato Heremans. "Quando si tratta di dispositivi pratici, spesso non misuriamo le particelle singolarmente:misuriamo il comportamento totale dell'intero materiale, motivo per cui utilizziamo concetti come temperatura, pressione e flusso di calore."
Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters il 24 febbraio.
