"Los nuevos modelos computacionales nos brindan nuevas oportunidades de investigación. Ampliar la termodinámica a excitaciones ultracortas proporcionará conocimientos novedosos sobre cómo funcionan los materiales en la nanoescala", afirma Matthias Geilhufe, profesor asistente en el Departamento de Física de la Universidad Tecnológica de Chalmers.

La entropía es una medida de irreversibilidad y desorden y es central en la termodinámica. Hace dos siglos, fue parte de un avance conceptual, construyendo el marco teórico de las máquinas, fundamental para la revolución industrial. Hoy en día, estamos viendo avances en nuevas áreas de dispositivos nano y cuánticos, pero aún así, la entropía es un concepto fundamental.

"Un sistema normalmente quiere evolucionar a un estado de gran desorden, es decir, de máxima entropía. Se puede comparar a un terrón de azúcar que se disuelve en un vaso. Mientras el azúcar se disuelve, el sistema compuesto de agua y azúcar aumenta lentamente su entropía. Lo contrario Este proceso, la formación espontánea de un terrón de azúcar, nunca se observa", afirma Matthias Geilhufe.

Un modelo computacional para la entropía

"Si nos fijamos en cómo se forma la entropía en los dispositivos, es necesario encenderlos y apagarlos todos, o mover algo de A a B. Como consecuencia, se produce entropía. En algunos casos, nos gustaría minimizar la producción de entropía, por ejemplo para evitar la pérdida de información", afirma Matthias Geilhufe.

Si bien la entropía se ha convertido en un concepto bien establecido, no se puede medir directamente. Sin embargo, Matthias Geilhufe, junto con los investigadores Lorenzo Caprini y Hartmut Löwen de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, han desarrollado un modelo computacional para medir la producción de entropía en una escala de tiempo muy corta en materiales cristalinos excitados por láser. Su artículo, "Producción ultrarrápida de entropía en experimentos con sondas de bombeo", se publicó en Nature Communications. .

Los fonones en materiales cristalinos pueden producir entropía

Los materiales cristalinos son esenciales para diversas tecnologías que transfieren y almacenan información durante períodos cortos, como los semiconductores en las computadoras o los espacios de almacenamiento magnético. Estos materiales están formados por una red cristalina regular, en la que los átomos se organizan en patrones repetidos.

La luz láser puede sacudir los átomos en un movimiento colectivo que los físicos llaman fonones. Sorprendentemente, los fonones a menudo se comportan como si fueran una partícula. Se llaman cuasipartículas para distinguirlas de partículas reales como electrones o iones.

Lo que los investigadores han descubierto ahora es que los fonones (las vibraciones de la red en los materiales cristalinos) pueden producir entropía de la misma manera que las bacterias en el agua, como lo demuestran investigaciones previas en física biológica de Caprini y Löwen.

Por la naturaleza misma de que el fonón es una cuasipartícula en un cristal, se puede demostrar que se cumple el mismo patrón matemático que para sus homólogos biológicos en el agua. Esta información determina con precisión la entropía y la producción de calor en materiales excitados por láser y nos permite comprender o incluso cambiar sus propiedades según sea necesario.

El modelo computacional de los investigadores también se puede aplicar a otros tipos de excitaciones de materiales y, por lo tanto, abre una nueva perspectiva en el campo de la investigación de materiales ultrarrápidos.

"A largo plazo, este conocimiento puede resultar útil para adaptar tecnologías futuras o conducir a nuevos descubrimientos científicos", afirma Matthias Geilhufe.