Les réseaux de nano-aimants peuvent s’ordonner en augmentant l’entropie, sans violer les lois de la thermodynamique

Des réseaux extrêmement petits d’aimants aux propriétés étranges et inhabituelles peuvent s’ordonner en augmentant l’entropie, ou la tendance des systèmes physiques au désordre, un comportement qui semble contredire la thermodynamique standard, mais ce n’est pas le cas.

« Paradoxalement, le système commande parce qu’il veut être plus désordonné », a déclaré Cristiano Nisoli, physicien à Los Alamos et coauteur d’un article sur la recherche en Physique naturelle. « Notre recherche démontre un ordre basé sur l’entropie dans un système structuré d’aimants à l’équilibre. »

Le système examiné dans ce travail, connu sous le nom de glace de spin tetris, a été étudié dans le cadre d’une collaboration de longue date entre Nisoli et Peter Schiffer à l’Université de Yale, avec des analyses théoriques et des simulations menées à Los Alamos et des travaux expérimentaux menés à Yale. L’équipe de recherche comprend des scientifiques d’un certain nombre d’universités et d’établissements universitaires.

Les réseaux de nano-aimants, comme la glace de spin tetris, sont prometteurs en tant que circuits de portes logiques dans l’informatique neuromorphique, une architecture informatique de pointe qui imite étroitement le fonctionnement du cerveau. Ils ont également des applications possibles dans un certain nombre de dispositifs à haute fréquence utilisant la « magnonique » qui exploitent la dynamique du magnétisme à l’échelle nanométrique.

L’entropie est la mesure de l’état de désordre, d’aléatoire ou d’incertitude dans un système physique. Un liquide, par exemple, a une entropie élevée parce qu’à des températures chaudes – à haute énergie – ses molécules sont libres de se déplacer de manière aléatoire et désordonnée.

Mais lorsque les liquides sont refroidis pour former des solides, les molécules se calment et s’ordonnent par interactions pour optimiser leur énergie. Ils ne peuvent s’organiser dans un réseau cristallin que dans un nombre limité de configurations. Cela diminue leur entropie : ils sont hautement ordonnés.

Certains systèmes, cependant, ne sont pas si simples. Certaines parties du système s’installent de manière ordonnée, mais d’autres non. Ces systèmes « frustrés » conservent le désordre.

La glace de spin Tetris, composée de réseaux 2D de très petits aimants qui interagissent mais sont frustrés, est un étrange mélange des deux cas. Les orientations des pôles magnétiques sont frustrées de telle manière que le système conserve un certain ordre tout en restant désordonné. A basse température, il se décompose en bandes alternées ordonnées et désordonnées.

Le paradoxe apparent d’une entropie croissante avec un ordre croissant est résolu par l’interaction entropique entre les couches alternées. Par ordonnancement mutuel des bandes ordonnées, le système augmente le désordre dans les autres bandes. Ainsi, l’ordre se produit sans aucune diminution d’énergie, mais via une augmentation d’entropie.

« Aucune loi de la thermodynamique n’est vraiment enfreinte », a déclaré Nisoli. « Le concept selon lequel les systèmes s’ordonnent en réduisant l’entropie s’applique à la plupart des systèmes, mais, comme nous le montrons, pas à tous. Notre système est exotique et se comporte de manière contre-intuitive, avec une augmentation de l’entropie, une mesure du désordre, étant le moteur de l’ordre visible.  »