宇宙は自然に無秩序に向かう傾向があり、私たちはエネルギーを投入することによってのみ、この避けられない混乱に対抗することができます。この考えはエントロピーの概念にカプセル化されており、氷が溶けたり、火が燃えたり、水が沸騰したりするような日常の現象で明らかです。しかし、「エントロピー」理論は、この理解に別の意味をもたらします。
この理論は、ペンシルベニア州立大学材料科学工学部のドロシー・ペイト・エンライト特別教授であるジクイ・リュー率いるチームによって提案されました。ゼントロピーの「Z」は、エントロピーの「状態の合計」を意味するドイツ語の「Zustandssumm」に由来しています。
リュー氏は、「ゼントロピー」は仏教用語の「禅」と、システムの性質を明らかにするために使用されるエントロピーの同音異義語ともみなされると述べた。このアイデアは、システム内で複数のスケールでエントロピーがどのように発生するかを検討し、システムが周囲の環境の影響を受けた場合の潜在的な結果を予測するのに役立てることだとリュー氏は述べた。
Liu と彼の研究チームは、この概念に関する最新の論文を発表し、このアプローチが実験結果を予測する方法を提供し、新しい強誘電体材料のより効率的な発見と設計を可能にすることを実証しました。 ScriptaMaterialia で公開されたこの研究は、直感と豊富な物理知識を組み合わせて、先進的な材料の挙動を予測するためのパラメーターフリーのアプローチを提供します。
強誘電体には独特の特性があり、現在および開発中のさまざまな用途において価値があると研究者らは述べている。そのような特性の 1 つは、電場の印加によって反転できる自発分極です。これにより、超音波からインクジェット プリンター、コンピューターのエネルギー効率の高い RAM、スマートフォンの強誘電体駆動のジャイロスコープに至るまで、さまざまなテクノロジーの開発が可能になり、滑らかなビデオや鮮明な写真が可能になりました。
これらの技術を開発するには、研究者はこの分極とその反転の動作を実験的に理解する必要があります。効率を向上させるために、研究者は予測された結果に基づいて実験を計画することがよくあります。通常、このような予測には、現実世界の変数に厳密に一致させるために「フィッティング パラメーター」と呼ばれる調整が必要であり、その決定には時間と労力がかかります。しかし、Zen エントロピーは、トップダウンの統計力学とボトムアップの量子力学を統合して、そのような調整を必要とせずにシステムの実験測定を予測できます。
「もちろん、最終的には実験が究極のテストですが、ゼントロピーは可能性の範囲を大幅に狭める定量的な予測を提供できることがわかりました」とリュー氏は語った。 「強誘電体材料を探索するためのより良い実験を計画することができ、研究の取り組みがより速く進むでしょう。つまり、時間、エネルギー、お金が節約され、より効率的にできることになります。」
Liu と彼のチームは、Zen エントロピー理論を適用して、さまざまな現象の下でさまざまな材料の磁気特性を予測することに成功しましたが、それを強誘電体材料に適用する方法を発見することは難しい問題でした。今回の研究で研究者らは、チタン酸鉛に焦点を当て、Zenエントロピー理論を強誘電体材料に適用する方法を発見したと報告している。すべての強誘電体材料と同様に、チタン酸鉛は、外部電場、温度変化、または機械的ストレスが加わると反転する電気極性を持っています。
電場が電気分極を反転させると、システムは一方向で秩序から無秩序に変化し、システムが新しい方向で安定すると再び秩序に戻ります。ただし、この強誘電性は、各強誘電体材料に固有の臨界温度以下でのみ発生します。この温度を超えると、強誘電性 (分極を反転する能力) が消失し、常誘電性 (分極する能力) が現れます。この変化を相変化といいます。これらの温度を測定すると、さまざまな実験結果に関する重要な情報が明らかになる可能性があるとLiu氏は述べた。しかし、実験前に相転移を予測することはほぼ不可能です。
「実験前に強誘電体材料の自由エネルギーと相転移を正確に予測できる理論や方法は存在しない」とLiu氏は述べた。 「転移温度の最良の予測は、実験における実際の温度と100度以上異なっていました。」
この違いの理由は、モデル内の未知の不確実性と、実際の測定に影響を与えるすべての顕著な情報をフィッティング パラメーターが考慮できないことです。たとえば、一般的に使用されている理論の 1 つは、強誘電性と準誘電性の巨視的特徴を説明していますが、動的ドメイン壁 (材料内の異なる分極特性を持つ領域間の境界) などの微視的特徴は考慮されていません。これらの構成はシステムの構成要素であり、温度や電場の変化によって大きく変動します。
強誘電体では、材料内の電気双極子の構成により分極の方向が変化します。研究者らは、Zen エントロピーを使用して、材料内で考えられる 3 つの構成を特定するなど、チタン酸鉛の相転移を予測しました。
研究者の予測は有効であり、科学文献で報告された実験観察と一致しています。彼らは、公的に入手可能な磁壁エネルギー データを使用して、転移温度 776 ケルビンを予測しました。これは、実験で観察された転移温度 763 ケルビンとよく一致します。 Liu氏は、研究チームは温度の関数として磁壁エネルギーをより正確に予測することで、予測温度と観測温度の差をさらに狭めることに取り組んでいると述べた。
実際の測定値に非常に近い転移温度を予測できるこの能力は、強誘電体材料の物理的特性についての貴重な洞察を提供し、科学者が実験をより適切に計画するのに役立つ可能性があるとリュー氏は述べた。「これは基本的に、実験を行う前に材料の微視的および巨視的挙動について何らかの直感と予測方法を得ることができることを意味します。実験前に結果を正確に予測し始めることができます。」
この研究にLiu氏と協力した他のペンシルベニア州立大学の研究者には、材料科学および工学の研究教授であるShunli Shang氏、材料科学および工学の研究教授であるYi Wang氏、研究当時材料科学および工学の研究者だったJinglian Du氏が含まれる。