测量纳米尺度熵产生的新方法

熵，即分子无序程度，在多个系统中产生，但无法直接测量。瑞典查尔姆斯理工大学和杜塞尔多夫海因里希海涅大学的研究人员开发的方程式现在为激光激发材料在极短的时间内如何产生熵提供了新的线索。

“新的计算模型为我们提供了新的研究机会。扩展超短激发的热力学将为材料如何在纳米尺度上发挥作用提供新的见解，”查尔姆斯理工大学物理系助理教授马蒂亚斯·盖尔胡夫(MatthiasGeilhufe)说。

熵是不可逆性和无序性的度量，是热力学的核心。两个世纪前，它是概念突破的一部分，为工业革命奠定了基础的机器理论框架。今天，我们看到纳米和量子器件新领域的进步，但熵仍然是一个关键概念。

“一个系统通常希望进化到一种无序度较大的状态，即熵最大的状态。它可以比作溶解在玻璃中的方糖。当糖溶解时，由水和糖组成的系统的熵会慢慢增加。反之亦然。这个过程——方糖的自发形成——从未被观察到，”MatthiasGeilhufe说。

熵的计算模型

“如果我们转向设备中熵是如何形成的，它们都需要打开和关闭，或者需要将某些东西从A移动到B。因此，会产生熵。在某些情况下，我们希望最大限度地减少熵熵产生，例如避免信息丢失，”MatthiasGeilhufe说。

虽然熵已成为一个公认的概念，但它无法直接测量。然而，MatthiasGeilhufe与杜塞尔多夫海因里希海涅大学的研究人员LorenzoCaprini和HartmutLöwen一起开发了一种计算模型，可以在很短的时间内测量激光激发晶体材料中的熵产生。他们的论文“泵浦探针实验中的超快熵产生”发表在《自然通讯》上。

晶体材料中的声子可以产生熵

晶体材料对于短期传输和存储信息的各种技术至关重要，例如计算机或磁存储空间中的半导体。这些材料由规则的晶格组成，原子以重复的图案排列。

激光可以使原子产生集体运动，物理学家称之为声子。令人惊讶的是，声子的行为常常就像粒子一样。它们被称为准粒子，以区别于电子或离子等实际粒子。

研究人员现在发现，声子(晶体材料中的晶格振动)可以像水中细菌一样产生熵，卡普里尼和洛文之前的生物物理学研究表明了这一点。

根据声子作为晶体中的准粒子的本质，可以证明相同的数学模式适用于水中的生物对应物。这种见解精确地确定了激光激发材料的熵和热量产生，使我们能够了解甚至根据需要改变它们的特性。

研究人员的计算模型还可以应用于其他类型的材料激发，从而为超快材料的研究领域开辟了新的视角。

“从长远来看，这些知识有助于定制未来的技术，或带来新的科学发现，”马蒂亚斯·盖尔胡夫说。