Сотрудники Центра высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН разработали метод измерения энтропии — одной из фундаментальных термодинамических функций — в тонких пленках. Благодаря новому устройству впервые удалось измерить энтропию двумерной электронной системы на границе кремния и оксида кремния. Об этом сообщает пресс-релиз агенства ФИАН-Информ, работа ученых опубликована в журнале Nature Communications.

Поверхность кремния в атомарном разрешении. Новая методика позволила определить термодинамические параметры двумерной системы электронов, находящейся между кремнием и оксидом кремния. Изображение: Kiel University

Устройство, разработанное физиками, представляет собой конденсатор, роль прослойки в котором играет изучаемая тонкая пленка. Ученые помещают его в термостат, охлажденный до температур от 2,5 до 25 кельвинов и начинают с частотой раз в две секунды менять температуру образца с амплитудой 0,1–0,2 кельвина. В результате этого происходит изменение емкости конденсатора, связанное с изменением термодинамических свойств тонкой пленки — меняется ее химический потенциал. В согласие с соотношениями Максвелла, изменение химического потенциала напрямую связано с удельной энтропией изучаемой системы.

Внешний вид устройства. Изображение: ФИАН-Информ

Зафиксировать изменение химического потенциала удается, замеряя силу тока, заряжающего или покидающего конденсатор, в зависимости от того, уменьшилась или увеличилась его емкость. В результате исследователи получают возможность измерить абсолютную энтропию системы.

Схема устройства. Изображение: A.Y. Kuntsevich et al. / Nature Communications, 2015

Чувствительность нового устройства позволяет измерить энтропию при колебаниях заряда конденсатора в единицы пикокулон — это на три порядка лучше, чем у самых современных калориметрических методов. По словам авторов, ключевую роль играет то, что прибор измеряет не теплоемкость системы, которая тоже связана с энтропией, а удельную электронную энтропию. Вместе с тем, прибор позволяет проводить измерения в условиях сильных магнитных полей, вплоть до девяти тесла.

Энтропия — термодинамическая функция, показывающая, каким количеством различных микросостояний может быть представлена система, иначе говоря, каким количеством степеней свободы она обладает. Одним из свойств энтропии является ее рост с температурой — чем выше температура, тем больше доступных микросостояний и степеней свободы. Измерения энтропии со столь высокой точностью позволяют наблюдать дискретность спектра в наноразмерных системах, связанную с их квантовой природой.