"I nuovi modelli computazionali ci offrono nuove opportunità di ricerca. L'estensione della termodinamica alle eccitazioni ultracorti fornirà nuove informazioni su come funzionano i materiali su scala nanometrica", afferma Matthias Geilhufe, professore assistente presso il Dipartimento di fisica della Chalmers University of Technology.

L’entropia è una misura dell’irreversibilità e del disordine ed è centrale nella termodinamica. Due secoli fa, fece parte di una svolta concettuale, costruendo il quadro teorico per le macchine, fondamentale per la rivoluzione industriale. Oggi assistiamo a progressi in nuove aree di dispositivi nano e quantistici, ma l'entropia resta ancora un concetto fondamentale.

"Un sistema di solito vuole evolversi verso uno stato con grande disordine, cioè la massima entropia. Può essere paragonato a una zolletta di zucchero che si scioglie in un bicchiere. Mentre lo zucchero si dissolve, il sistema composto da acqua e zucchero aumenta lentamente la sua entropia. Il contrario Questo processo, ovvero la formazione spontanea di una zolletta di zucchero, non viene mai osservato", afferma Matthias Geilhufe.

Un modello computazionale per l'entropia

"Se guardiamo al modo in cui si forma l'entropia nei dispositivi, tutti devono essere accesi e spenti, o devono spostare qualcosa da A a B. Di conseguenza, viene prodotta entropia. In alcuni casi, vorremmo ridurre al minimo il produzione di entropia, ad esempio per evitare la perdita di informazioni", afferma Matthias Geilhufe.

Sebbene l’entropia sia diventata un concetto consolidato, non può essere misurata direttamente. Tuttavia, Matthias Geilhufe insieme ai ricercatori Lorenzo Caprini e Hartmut Löwen dell’Università Heinrich Heine di Düsseldorf, hanno sviluppato un modello computazionale per misurare la produzione di entropia su una scala temporale molto breve nei materiali cristallini eccitati dal laser. Il loro articolo, "Produzione di entropia ultraveloce in esperimenti con sonda a pompa", è stato pubblicato su Nature Communications .

I fononi nei materiali cristallini possono produrre entropia

I materiali cristallini sono essenziali per varie tecnologie che trasferiscono e archiviano informazioni per brevi periodi, come i semiconduttori nei computer o gli spazi di archiviazione magnetici. Questi materiali sono costituiti da un reticolo cristallino regolare, in cui gli atomi si dispongono secondo schemi ripetitivi.

La luce laser può scuotere gli atomi in un movimento collettivo che i fisici chiamano fononi. Sorprendentemente, i fononi spesso si comportano come se fossero una particella. Si chiamano quasiparticelle, per distinguerle dalle particelle vere e proprie come gli elettroni o gli ioni.

Ciò che i ricercatori hanno ora scoperto è che i fononi, le vibrazioni reticolari nei materiali cristallini, possono produrre entropia allo stesso modo dei batteri nell'acqua, come dimostrato da precedenti ricerche in fisica biologica di Caprini e Löwen.

Per la natura stessa del fonone, essendo una quasiparticella in un cristallo, si può dimostrare che vale lo stesso schema matematico delle loro controparti biologiche nell'acqua. Questa conoscenza determina con precisione l'entropia e la produzione di calore nei materiali eccitati dal laser e ci consente di comprendere o addirittura modificare le loro proprietà su richiesta.

Il modello computazionale dei ricercatori può essere applicato anche ad altri tipi di eccitazioni dei materiali e apre così una nuova prospettiva nel campo della ricerca sui materiali ultraveloci.

"A lungo termine, questa conoscenza può essere utile per personalizzare le tecnologie future o portare a nuove scoperte scientifiche", afferma Matthias Geilhufe.