Das Universum neigt von Natur aus zur Unordnung, und nur durch den Einsatz von Energie können wir diesem unvermeidlichen Chaos entgegenwirken. Diese Idee ist im Konzept der Entropie zusammengefasst, die sich in alltäglichen Phänomenen wie dem Schmelzen von Eis, dem Brennen von Feuer und dem Kochen von Wasser zeigt. Allerdings fügt die Theorie der „Entropie“ diesem Verständnis eine weitere Bedeutungsebene hinzu.
Diese Theorie wurde von einem Team unter der Leitung von Zikui Liu, Distinguished Dorothy Pate Enright Professor am Department of Materials Science and Engineering der Penn State, vorgeschlagen. Das „Z“ in Zentropie kommt vom deutschen Begriff „Zustandssumm“, was „Summe der Zustände“ der Entropie bedeutet.
Liu sagte, „Zentropie“ könne auch als Homophon des buddhistischen Begriffs „Zen“ und der Entropie angesehen werden, die verwendet wird, um die Natur eines Systems zu offenbaren. Die Idee, sagte Liu, bestehe darin, zu untersuchen, wie Entropie auf mehreren Skalen innerhalb eines Systems auftritt, um mögliche Ergebnisse vorherzusagen, wenn das System von seiner Umgebung beeinflusst wird.
Liu und sein Forschungsteam veröffentlichten ihre neueste Arbeit zu diesem Konzept und zeigten, dass dieser Ansatz eine Möglichkeit bieten kann, experimentelle Ergebnisse vorherzusagen und eine effizientere Entdeckung und Gestaltung neuer ferroelektrischer Materialien zu ermöglichen. Die in ScriptaMaterialia veröffentlichte Arbeit kombiniert etwas Intuition mit einer Fülle physikalischer Kenntnisse, um einen parameterfreien Ansatz zur Vorhersage des Verhaltens fortschrittlicher Materialien bereitzustellen.
Ferroelektrika verfügen über einzigartige Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl aktueller und in der Entwicklung befindlicher Anwendungen wertvoll machen, sagen die Forscher. Eine dieser Eigenschaften ist die spontane elektrische Polarisation, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes umgekehrt werden kann. Dies hat die Entwicklung von Technologien ermöglicht, die von Ultraschall über Tintenstrahldrucker und energieeffiziente RAMs in Computern bis hin zu ferroelektrisch angetriebenen Gyroskopen in Smartphones reichen und flüssige Videos und scharfe Fotos ermöglichen.
Um diese Techniken zu entwickeln, müssen Forscher das Verhalten dieser Polarisation und ihre Umkehr experimentell verstehen. Um die Effizienz zu verbessern, entwerfen Forscher Experimente häufig auf der Grundlage vorhergesagter Ergebnisse. Typischerweise erfordern solche Vorhersagen Anpassungen, die als „Anpassungsparameter“ bezeichnet werden, um eine genaue Übereinstimmung mit realen Variablen zu gewährleisten, deren Bestimmung Zeit und Mühe erfordert. Aber die Zen-Entropie kann statistische Top-Down-Mechanik und Bottom-Up-Quantenmechanik integrieren, um experimentelle Messungen eines Systems vorherzusagen, ohne dass solche Anpassungen erforderlich sind.
„Letztendlich sind natürlich Experimente der ultimative Test, aber wir haben herausgefunden, dass Zentropie quantitative Vorhersagen liefern kann, die den Bereich der Möglichkeiten stark einschränken“, sagte Liu. „Wir können bessere Experimente zur Erforschung ferroelektrischer Materialien entwerfen und die Forschungsbemühungen werden schneller voranschreiten, was bedeutet, dass Zeit, Energie und Geld gespart und die Effizienz gesteigert werden kann.“
Während Liu und sein Team die Zen-Entropietheorie erfolgreich angewendet haben, um die magnetischen Eigenschaften einer Reihe von Materialien unter verschiedenen Phänomenen vorherzusagen, war es ein heikles Problem, herauszufinden, wie sie auf ferroelektrische Materialien angewendet werden kann. In der aktuellen Studie berichten die Forscher, dass sie einen Weg gefunden haben, die Zen-Entropietheorie auf ferroelektrische Materialien anzuwenden, wobei der Schwerpunkt auf Bleititanat liegt. Wie alle ferroelektrischen Materialien hat Bleititanat eine elektrische Polarität, die umgekehrt werden kann, wenn ein externes elektrisches Feld, eine Temperaturänderung oder eine mechanische Belastung ausgeübt wird.
Wenn ein elektrisches Feld die elektrische Polarisation umkehrt, wechselt das System in einer Richtung von Ordnung zu Unordnung und dann wieder zurück zur Ordnung, wenn sich das System in der neuen Richtung stabilisiert. Diese Ferroelektrizität tritt jedoch nur unterhalb einer kritischen Temperatur auf, die für jedes ferroelektrische Material einzigartig ist. Oberhalb dieser Temperatur verschwindet die Ferroelektrizität – die Fähigkeit, die Polarisation umzukehren – und es tritt Paraelektrizität – die Fähigkeit zur Polarisation – auf. Diese Änderung wird Phasenänderung genannt. Messungen dieser Temperaturen könnten wichtige Informationen über verschiedene experimentelle Ergebnisse liefern, sagte Liu. Allerdings ist es nahezu unmöglich, Phasenübergänge vor Experimenten vorherzusagen.
„Es gibt keine Theorie oder Methode, die die freie Energie und den Phasenübergang ferroelektrischer Materialien vor Experimenten genau vorhersagen kann“, sagte Liu. „Die beste Vorhersage der Übergangstemperatur wich von der tatsächlichen Temperatur im Experiment um mehr als 100 Grad ab.“
Der Grund für diesen Unterschied sind unbekannte Unsicherheiten im Modell und die Unfähigkeit der Anpassungsparameter, alle wichtigen Informationen zu berücksichtigen, die sich auf die tatsächlichen Messungen auswirken. Beispielsweise beschreibt eine häufig verwendete Theorie die makroskopischen Merkmale der Ferroelektrizität und Quasielektrizität, berücksichtigt jedoch nicht mikroskopische Merkmale wie dynamische Domänenwände – die Grenzen zwischen Regionen mit unterschiedlichen Polarisationseigenschaften innerhalb des Materials. Diese Konfigurationen sind die Bausteine des Systems und schwanken erheblich mit Änderungen der Temperatur und des elektrischen Feldes.
Bei Ferroelektrika ändert die Konfiguration der elektrischen Dipole im Material die Polarisationsrichtung. Die Forscher nutzten die Zen-Entropie, um die Phasenübergänge von Bleititanat vorherzusagen, einschließlich der Identifizierung von drei möglichen Konfigurationen im Material.
Die Vorhersagen der Forscher sind gültig und stimmen mit experimentellen Beobachtungen überein, über die in der wissenschaftlichen Literatur berichtet wird. Sie nutzten öffentlich verfügbare Daten zur Domänenwandenergie, um eine Übergangstemperatur von 776 Kelvin vorherzusagen, was gut mit der beobachteten experimentellen Übergangstemperatur von 763 Kelvin übereinstimmt. Liu sagte, das Forschungsteam arbeite daran, die Lücke zwischen vorhergesagten und beobachteten Temperaturen weiter zu verringern, indem die Domänenwandenergie als Funktion der Temperatur besser vorhergesagt werde.
Liu sagte, dass diese Fähigkeit, die Übergangstemperatur so nah an tatsächlichen Messungen vorherzusagen, wertvolle Einblicke in die physikalischen Eigenschaften ferroelektrischer Materialien liefern und Wissenschaftlern helfen kann, Experimente besser zu planen: „Das bedeutet im Grunde, dass man vor der Durchführung des Experiments über eine gewisse Intuition und Vorhersagemethoden über das mikroskopische und makroskopische Verhalten des Materials verfügen kann. Wir können bereits vor dem Experiment damit beginnen, die Ergebnisse genau vorherzusagen.“
Zu den weiteren Forschern der Penn State University, die mit Liu an der Studie zusammengearbeitet haben, gehören Shunli Shang, Forschungsprofessorin für Materialwissenschaft und -technik, Yi Wang, Forschungsprofessorin für Materialwissenschaft und -technik, und Jinglian Du, zum Zeitpunkt der Studie Forscherin in den Materialwissenschaften und -technik.