Nanomagnet-Arrays können sich selbst ordnen, indem sie die Entropie erhöhen, ohne die Gesetze der Thermodynamik zu verletzen

Extrem kleine Anordnungen von Magneten mit seltsamen und ungewöhnlichen Eigenschaften können sich selbst ordnen, indem sie die Entropie oder die Tendenz physikalischer Systeme zur Unordnung erhöhen, ein Verhalten, das der Standard-Thermodynamik zu widersprechen scheint – aber das nicht tut.

„Paradoxerweise ordnet das System, weil es ungeordneter sein will“, sagte Cristiano Nisoli, Physiker in Los Alamos und Mitautor einer Abhandlung über die Forschung in Naturphysik. „Unsere Forschung zeigt eine entropiegetriebene Ordnung in einem strukturierten System von Magneten im Gleichgewicht.“

Das in dieser Arbeit untersuchte System, bekannt als Tetris-Spinneis, wurde im Rahmen einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen Nisoli und Peter Schiffer an der Yale University untersucht, wobei theoretische Analysen und Simulationen in Los Alamos und experimentelle Arbeiten in Yale durchgeführt wurden. Das Forschungsteam besteht aus Wissenschaftlern verschiedener Universitäten und akademischer Einrichtungen.

Nanomagnet-Arrays, wie Tetris Spin Ice, sind vielversprechend als Schaltungen von Logikgattern im neuromorphen Computing, einer hochmodernen Computerarchitektur, die die Funktionsweise des Gehirns genau nachahmt. Sie haben auch mögliche Anwendungen in einer Reihe von Hochfrequenzgeräten, die „Magnonik“ verwenden, die die Dynamik des Magnetismus auf der Nanoskala ausnutzt.

Entropie ist das Maß für den Zustand der Unordnung, Zufälligkeit oder Unsicherheit in einem physikalischen System. Eine Flüssigkeit zum Beispiel hat eine hohe Entropie, weil sich ihre Moleküle bei warmen Temperaturen – hoher Energie – auf zufällige, ungeordnete Weise frei bewegen können.

Aber wenn Flüssigkeiten zu Festkörpern abgekühlt werden, beruhigen sich die Moleküle und ordnen sich durch Wechselwirkungen, um ihre Energie zu optimieren. Sie können sich nur in einer begrenzten Anzahl von Konfigurationen in einem Kristallgitter anordnen. Dadurch sinkt ihre Entropie: Sie sind hochgeordnet.

Einige Systeme sind jedoch nicht so einfach. Teile des Systems regeln sich geordnet, andere nicht. Diese „frustrierten“ Systeme behalten Unordnung.

Tetris Spin Ice, das aus 2D-Arrays sehr kleiner Magnete besteht, die interagieren, aber frustriert sind, ist eine seltsame Mischung aus den beiden Fällen. Die Orientierungen der Magnetpole sind derart gestört, dass das System eine gewisse Ordnung behält, während es ungeordnet bleibt. Bei niedriger Temperatur zerfällt es in abwechselnd geordnete und ungeordnete Streifen.

Das scheinbare Paradox der zunehmenden Entropie mit zunehmender Ordnung wird durch die entropische Wechselwirkung zwischen den alternierenden Schichten aufgelöst. Durch gegenseitiges Ordnen der geordneten Streifen erhöht das System die Unordnung in den anderen Streifen. Ordnung geschieht also ohne Energieabnahme, sondern über Entropiezunahme.

„Kein Gesetz der Thermodynamik wird wirklich gebrochen“, sagte Nisoli. „Das Konzept, dass Systeme durch Verringerung der Entropie geordnet werden, trifft auf die meisten Systeme zu, aber, wie wir zeigen, nicht auf alle. Unser System ist exotisch und verhält sich kontraintuitiv, wobei eine Zunahme der Entropie, ein Maß für Unordnung, der Treiber der sichtbaren Ordnung ist. “