Arreglos extremadamente pequeños de imanes con propiedades extrañas e inusuales pueden ordenarse aumentando la entropía, o la tendencia de los sistemas físicos al desorden, un comportamiento que parece contradecir la termodinámica estándar, pero no lo hace.

"Paradójicamente, el sistema ordena porque quiere estar más desordenado", dijo Cristiano Nisoli, físico de Los Álamos y coautor de un artículo sobre la investigación en Nature Physics. . "Nuestra investigación demuestra un orden impulsado por la entropía en un sistema estructurado de imanes en equilibrio".

El sistema examinado en este trabajo, conocido como tetris spin ice, se estudió como parte de una colaboración de larga data entre Nisoli y Peter Schiffer en la Universidad de Yale, con análisis teóricos y simulaciones dirigidas en Los Álamos y trabajo experimental dirigido en Yale. El equipo de investigación incluye científicos de varias universidades e instituciones académicas.

Las matrices de nanoimanes, como tetris spin ice, se muestran prometedoras como circuitos de puertas lógicas en la computación neuromórfica, una arquitectura informática de vanguardia que imita de cerca cómo funciona el cerebro. También tienen posibles aplicaciones en varios dispositivos de alta frecuencia que usan "magnónica" que explota la dinámica del magnetismo en la nanoescala.

La entropía es la medida del estado de desorden, aleatoriedad o incertidumbre en un sistema físico. Un líquido, por ejemplo, tiene una alta entropía porque a temperaturas cálidas (alta energía) sus moléculas son libres de moverse de forma aleatoria y desordenada.

Pero cuando los líquidos se enfrían para formar sólidos, las moléculas se calman y se ordenan mediante interacciones para optimizar su energía. Pueden organizarse en una red cristalina en solo un número limitado de configuraciones. Esto reduce su entropía:están muy ordenados.

Algunos sistemas, sin embargo, no son tan simples. Partes del sistema se asientan de manera ordenada, pero otras no. Estos sistemas "frustrados" retienen el desorden.

Tetris spin ice, que se compone de matrices 2D de imanes muy pequeños que interactúan pero se frustran, es una extraña mezcla de los dos casos. Las orientaciones de los polos magnéticos se frustraron de tal manera que el sistema conserva cierto orden mientras permanece desordenado. A baja temperatura se descompone en franjas alternas ordenadas y desordenadas.

La aparente paradoja de aumentar la entropía con el aumento del orden se resuelve mediante la interacción entrópica entre las capas alternas. Al ordenarse mutuamente las franjas ordenadas, el sistema aumenta el desorden en las otras franjas. Por lo tanto, el orden ocurre sin ninguna disminución de la energía, sino mediante un aumento de la entropía.

"Ninguna ley de la termodinámica se rompe realmente", dijo Nisoli. "El concepto de que los sistemas ordenan reduciendo la entropía se aplica a la mayoría de los sistemas, pero, como mostramos, no a todos. Nuestro sistema es exótico y se comporta de manera contraria a la intuición, con un aumento de la entropía, una medida de desorden, siendo el impulsor del orden visible. " + Explora más

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