具有奇怪和不尋常特性的極小磁體陣列可以通過增加熵或物理系統(tǒng)無序的趨勢來排序，這種行為似乎與標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)相矛盾，但事實并非如此。

“自相矛盾的是，系統(tǒng)之所以下令，是因為它希望變得更加無序，”洛斯阿拉莫斯的物理學(xué)家、今天發(fā)表在《自然物理學(xué)》上的一篇關(guān)于這項研究的論文的合著者克里斯蒂亞諾·尼索利說。“我們的研究證明了在平衡的結(jié)構(gòu)化磁體系統(tǒng)中熵驅(qū)動的順序。”

這項工作中檢查的系統(tǒng)被稱為俄羅斯方塊旋轉(zhuǎn)冰，是耶魯大學(xué) Nisoli 和 Peter Schiffer 長期合作的一部分，在洛斯阿拉莫斯領(lǐng)導(dǎo)了理論分析和模擬，在耶魯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)了實驗工作。研究團隊包括來自多所大學(xué)和學(xué)術(shù)機構(gòu)的科學(xué)家。

納米磁體陣列，如俄羅斯方塊自旋冰，有望成為神經(jīng)形態(tài)計算中的邏輯門電路，這是一種密切模仿大腦工作方式的前沿計算架構(gòu)。它們還可能應(yīng)用于許多使用“磁控學(xué)”的高頻設(shè)備，這些設(shè)備利用納米級的磁動力學(xué)。

熵是物理系統(tǒng)中無序、隨機或不確定狀態(tài)的量度。例如，液體具有高熵，因為在溫暖的溫度(高能量)下，它的分子可以以隨機、無序的方式自由移動。

但是當(dāng)液體冷卻形成固體時，分子會平靜下來，并通過相互作用對自身進行排序以優(yōu)化它們的能量。它們只能以有限數(shù)量的配置將自己排列在晶格中。這降低了它們的熵：它們是高度有序的。

然而，有些系統(tǒng)并非如此簡單。系統(tǒng)的某些部分以有序的方式解決，但其他部分則不然。這些“受挫”的系統(tǒng)會保持混亂。

俄羅斯方塊自旋冰由二維陣列的非常小的磁鐵組成，它們相互作用但受挫，是這兩種情況的奇怪組合。磁極方向受挫的方式是系統(tǒng)在保持無序的同時保持一定的秩序。在低溫下它分解成交替的有序和無序條紋。

通過交替層之間的熵相互作用解決了熵隨著順序增加而增加的明顯悖論。通過有序條紋的相互排序，系統(tǒng)增加了其他條紋的無序性。因此，有序的發(fā)生并沒有任何能量減少，而是通過熵的增加。

通過應(yīng)用現(xiàn)代成像方法，Schiffer 能夠觀察和識別納米磁體的獨特變化。

“現(xiàn)代顯微鏡讓我們使用 X 射線拍攝數(shù)百個納米磁體中的每一個如何指向北極和南極的照片，我們可以“觀察”兩極隨著溫度變化來回翻轉(zhuǎn)，”希弗說。“這使我們能夠以非常詳細(xì)和不同尋常的方式了解系統(tǒng)的熵。”

“沒有熱力學(xué)定律真正被打破，”尼索利說。“系統(tǒng)通過減少熵來排序的概念適用于大多數(shù)系統(tǒng)，但正如我們所展示的，并非適用于所有系統(tǒng)。我們的系統(tǒng)是奇特的，并且表現(xiàn)出違反直覺的行為，隨著熵的增加，一種無序的度量，成為可見秩序的驅(qū)動力。”

該研究團隊由來自勞倫斯伯克利國家實驗室、洛斯阿拉莫斯、希捷科技、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校、利物浦大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)、韋恩州立大學(xué)和耶魯大學(xué)的成員組成。

該研究的其他耶魯大學(xué)共同作者是前耶魯大學(xué)博士后助理 Hilal Saglam，現(xiàn)就職于普林斯頓大學(xué)，副研究科學(xué)家 Nicholas Bingham 博士。學(xué)生張曉宇和現(xiàn)任耶魯大學(xué)本科生 Nikhil Harle '23 和 Aikaterini Kargioti '23。

該研究得到了洛斯阿拉莫斯國家實驗室和美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室以及美國國家科學(xué)基金會的實驗室指導(dǎo)研究與開發(fā)的支持。