教育新闻网具有奇怪和不寻常特性的极小磁体阵列可以通过增加熵或物理系统无序的趋势来排序，这种行为似乎与标准热力学相矛盾，但事实并非如此。
“自相矛盾的是，系统之所以下令，是因为它希望变得更加无序，”洛斯阿拉莫斯的物理学家、今天发表在《自然物理学》上的一篇关于这项研究的论文的合著者克里斯蒂亚诺·尼索利说。“我们的研究证明了在平衡的结构化磁体系统中熵驱动的顺序。”
这项工作中检查的系统被称为俄罗斯方块旋转冰，是耶鲁大学 Nisoli 和 Peter Schiffer 长期合作的一部分，在洛斯阿拉莫斯领导了理论分析和模拟，在耶鲁大学领导了实验工作。研究团队包括来自多所大学和学术机构的科学家。
纳米磁体阵列，如俄罗斯方块自旋冰，有望成为神经形态计算中的逻辑门电路，这是一种密切模仿大脑工作方式的前沿计算架构。它们还可能应用于许多使用“磁控学”的高频设备，这些设备利用纳米级的磁动力学。
熵是物理系统中无序、随机或不确定状态的量度。例如，液体具有高熵，因为在温暖的温度(高能量)下，它的分子可以以随机、无序的方式自由移动。
但是当液体冷却形成固体时，分子会平静下来，并通过相互作用对自身进行排序以优化它们的能量。它们只能以有限数量的配置将自己排列在晶格中。这降低了它们的熵：它们是高度有序的。
然而，有些系统并非如此简单。系统的某些部分以有序的方式解决，但其他部分则不然。这些“受挫”的系统会保持混乱。
俄罗斯方块自旋冰由二维阵列的非常小的磁铁组成，它们相互作用但受挫，是这两种情况的奇怪组合。磁极方向受挫的方式是系统在保持无序的同时保持一定的秩序。在低温下它分解成交替的有序和无序条纹。
通过交替层之间的熵相互作用解决了熵随着顺序增加而增加的明显悖论。通过有序条纹的相互排序，系统增加了其他条纹的无序性。因此，有序的发生并没有任何能量减少，而是通过熵的增加。
通过应用现代成像方法，Schiffer 能够观察和识别纳米磁体的独特变化。
“现代显微镜让我们使用 X 射线拍摄数百个纳米磁体中的每一个如何指向北极和南极的照片，我们可以“观察”两极随着温度变化来回翻转，”希弗说。“这使我们能够以非常详细和不同寻常的方式了解系统的熵。”
“没有热力学定律真正被打破，”尼索利说。“系统通过减少熵来排序的概念适用于大多数系统，但正如我们所展示的，并非适用于所有系统。我们的系统是奇特的，并且表现出违反直觉的行为，随着熵的增加，一种无序的度量，成为可见秩序的驱动力。”
该研究团队由来自劳伦斯伯克利国家实验室、洛斯阿拉莫斯、希捷科技、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、利物浦大学、明尼苏达大学、韦恩州立大学和耶鲁大学的成员组成。
该研究的其他耶鲁大学共同作者是前耶鲁大学博士后助理 Hilal Saglam，现就职于普林斯顿大学，副研究科学家 Nicholas Bingham 博士。学生张晓宇和现任耶鲁大学本科生 Nikhil Harle '23 和 Aikaterini Kargioti '23。
该研究得到了洛斯阿拉莫斯国家实验室和美国能源部基础能源科学办公室以及美国国家科学基金会的实验室指导研究与开发的支持。
