Сотрудниками ФИАН придуман и реализован способ измерения энтропии нанообъектов.
Энтропия является фундаментальной характеристикой любых систем, состоящих из многих частиц, показывающей число микро-соcтояний, которыми может быть реализована система. Чем больше температура, тем больше у системы степеней свободы, тем больше её энтропия.
Измерения энтропии в реальных образцах обычно проводятся калориметрическими методами: количество тепла, затраченное для нагревания образца на один градус пропорционально возрастанию его энтропии. Такой традиционный метод измерения имеет сильные ограничения, так как количества тепла для микро- и нанообъектов настолько малы, что находятся на пределе разрешающей способности самых точных калориметров. Более того, обычная калориметрия позволяет лишь измерить разницу энтропий при двух температурах, и не даёт возможности измерить абсолютное значение энтропии. Наконец, «головная боль» всех калориметрических измерений с тонкими пленками состоит в необходимости устранения вклада теплоемкости подложки в измеряемую теплоемкость пленки.
Метод, предложенный сотрудниками Центра высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН, позволяет существенно обойти эти недостатки и измерять энтропию двумерных систем, толщина которых не превосходит несколько нанометров. В основе метода лежит принципиально отличный подход: измеряется не количество тепла, а ток перезарядки структур типа «конденсатор», одной из обкладок которого является изучаемая тонкая пленка или ее предельный случай – двумерная система зарядов.
Созданная установка позволяет проводить измерения при низких температурах (от 2 до 25 К) и в магнитных полях до 9 Тесла. Чувствительность метода более чем на три порядка превышает чувствительность лучших калориметров, что позволяет различать тонкие особенности квантования спектра двумерной системы в магнитном поле и проявления межчастичных взаимодействий. Использование нового подхода позволило впервые измерить абсолютное значение энтропии для двумерной системы электронов на границы Si и SiO2 и ее необычные изменения с магнитным полем и температурой.
Фрагмент установки с образцом двумерной системы электронов
В дальнейшем исследователями планируется увеличить точность метода и применять его к новым системам, энтропия которых ещё не исследовалась экспериментально: графену, топологическим изоляторам, а также к изучению термодинамики квантовых фазовых переходов, таких, например, как переход сверхпроводник-изолятор и т.д.
По материалам АНИ «ФИАН-информ»
________________________
От редакции. Более подробно о данной работе можно узнать из публикации в журнале Nature Communications.
