"De nouveaux modèles informatiques nous offrent de nouvelles opportunités de recherche. L'extension de la thermodynamique aux excitations ultracourtes fournira de nouvelles informations sur le fonctionnement des matériaux à l'échelle nanométrique", déclare Matthias Geilhufe, professeur adjoint au département de physique de l'université de technologie Chalmers.

L'entropie est une mesure de l'irréversibilité et du désordre et joue un rôle central en thermodynamique. Il y a deux siècles, cela faisait partie d’une percée conceptuelle, construisant le cadre théorique des machines, fondamental pour la révolution industrielle. Aujourd'hui, nous constatons des progrès dans de nouveaux domaines des dispositifs nano et quantiques, mais l'entropie reste néanmoins un concept essentiel.

"Un système veut généralement évoluer vers un état de grand désordre, c'est-à-dire une entropie maximale. Cela peut être comparé à un morceau de sucre se dissolvant dans un verre. Pendant que le sucre se dissout, le système composé d'eau et de sucre augmente lentement son entropie. L'inverse Le processus de formation spontanée d'un morceau de sucre n'est jamais observé", explique Matthias Geilhufe.

Un modèle informatique pour l'entropie

"Si nous examinons la façon dont l'entropie se forme dans les appareils, ils doivent tous être allumés et éteints, ou doivent déplacer quelque chose de A à B. En conséquence, de l'entropie est produite. Dans certains cas, nous aimerions minimiser l'entropie. production d'entropie, par exemple pour éviter la perte d'informations", explique Matthias Geilhufe.

Même si l’entropie est devenue un concept bien établi, elle ne peut être mesurée directement. Cependant, Matthias Geilhufe et les chercheurs Lorenzo Caprini et Hartmut Löwen de l'Université Heinrich Heine de Düsseldorf ont développé un modèle informatique pour mesurer la production d'entropie sur une échelle de temps très courte dans des matériaux cristallins excités par laser. Leur article, "Production d'entropie ultrarapide dans les expériences pompe-sonde", a été publié dans Nature Communications. .

Les phonons dans les matériaux cristallins peuvent produire de l'entropie

Les matériaux cristallins sont essentiels pour diverses technologies qui transfèrent et stockent des informations sur de courtes périodes, comme les semi-conducteurs dans les ordinateurs ou les espaces de stockage magnétiques. Ces matériaux sont constitués d'un réseau cristallin régulier, dans lequel les atomes s'organisent selon des motifs répétitifs.

La lumière laser peut secouer les atomes dans un mouvement collectif que les physiciens appellent des phonons. Étonnamment, les phonons se comportent souvent comme s’ils étaient des particules. On les appelle quasiparticules, pour les distinguer des particules réelles comme les électrons ou les ions.

Ce que les chercheurs ont maintenant découvert, c'est que les phonons (les vibrations du réseau dans les matériaux cristallins) peuvent produire de l'entropie de la même manière que les bactéries dans l'eau, comme l'ont montré des recherches antérieures en physique biologique menées par Caprini et Löwen.

De par la nature même du phonon, qui est une quasi-particule dans un cristal, on peut montrer que le même schéma mathématique s'applique à ses homologues biologiques dans l'eau. Cette information détermine avec précision l'entropie et la production de chaleur dans les matériaux excités par laser et nous permet de comprendre ou même de modifier leurs propriétés à la demande.

Le modèle informatique des chercheurs peut également être appliqué à d'autres types d'excitations de matériaux et ouvre ainsi une nouvelle perspective dans le domaine de la recherche sur les matériaux ultrarapides.

"À long terme, ces connaissances peuvent être utiles pour adapter les technologies futures ou conduire à de nouvelles découvertes scientifiques", déclare Matthias Geilhufe.