Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44277-w A entropia, a quantidade de desordem molecular, é produzida em vários sistemas, mas não pode ser medida diretamente. Uma equação desenvolvida por pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, e da Heinrich Heine University Düsseldorf, lança agora uma nova luz sobre como a entropia é produzida em uma escala de tempo muito curta em materiais excitados por laser.
"Novos modelos computacionais nos dão novas oportunidades de pesquisa. Estender a termodinâmica para excitações ultracurtas fornecerá novos insights sobre como os materiais funcionam em nanoescala, "diz Matthias Geilhufe, professor assistente do Departamento de Física da Chalmers University of Technology.
A entropia é uma medida de irreversibilidade e desordem e é central na termodinâmica. Há dois séculos, fez parte de um avanço conceitual, construindo o arcabouço teórico das máquinas, fundamental para a revolução industrial. Hoje, vemos avanços em novas áreas de dispositivos nano e quânticos, mas ainda assim, a entropia é um conceito fundamental.
"Um sistema geralmente quer evoluir para um estado de grande desordem, ou seja, entropia máxima. Pode ser comparado a um cubo de açúcar se dissolvendo em um copo. Enquanto o açúcar se dissolve, o sistema composto por água e açúcar aumenta lentamente sua entropia. O inverso O processo – a formação espontânea de um cubo de açúcar – nunca é observado”, diz Matthias Geilhufe.
Um modelo computacional para entropia
"Se considerarmos como a entropia é formada nos dispositivos, todos eles precisam ser ligados e desligados, ou precisam mover algo de A para B. Como consequência, a entropia é produzida. Em alguns casos, gostaríamos de minimizar o produção de entropia, por exemplo, para evitar perda de informação", diz Matthias Geilhufe.
Embora a entropia tenha se tornado um conceito bem estabelecido, ela não pode ser medida diretamente. No entanto, Matthias Geilhufe, juntamente com os investigadores Lorenzo Caprini e Hartmut Löwen da Heinrich Heine University Düsseldorf, desenvolveram um modelo computacional para medir a produção de entropia numa escala de tempo muito curta em materiais cristalinos excitados por laser. O artigo deles, "Produção de entropia ultrarrápida em experimentos de sonda de bomba", foi publicado na Nature Communications .
Fônons em materiais cristalinos podem produzir entropia
Os materiais cristalinos são essenciais para diversas tecnologias que transferem e armazenam informações em curtos períodos, como semicondutores em computadores ou espaços de armazenamento magnético. Esses materiais são constituídos por uma rede cristalina regular, na qual os átomos se organizam em padrões repetidos.
A luz do laser pode agitar os átomos em um movimento coletivo que os físicos chamam de fônons. Surpreendentemente, os fônons muitas vezes se comportam como se fossem uma partícula. Elas são chamadas de quasipartículas, para distingui-las de partículas reais, como elétrons ou íons.
O que os investigadores descobriram agora é que os fônons – as vibrações da rede nos materiais cristalinos – podem produzir entropia da mesma forma que as bactérias na água, como demonstrado por pesquisas anteriores em física biológica de Caprini e Löwen.
Pela própria natureza do fônon ser uma quasipartícula em um cristal, pode-se mostrar que o mesmo padrão matemático se aplica às suas contrapartes biológicas na água. Essa percepção determina com precisão a entropia e a produção de calor em materiais excitados por laser e nos permite compreender ou até mesmo alterar suas propriedades sob demanda.
O modelo computacional dos pesquisadores também pode ser aplicado a outros tipos de excitações de materiais e, assim, abre uma nova perspectiva no campo de pesquisa em materiais ultrarrápidos.
“A longo prazo, este conhecimento pode ser útil para adaptar tecnologias futuras ou levar a novas descobertas científicas”, diz Matthias Geilhufe.
