يميل الكون بطبيعة الحال نحو الفوضى، وفقط من خلال مدخلات الطاقة يمكننا مكافحة هذه الفوضى الحتمية. تتلخص هذه الفكرة في مفهوم الإنتروبيا، والذي يتجلى في الظواهر اليومية مثل ذوبان الجليد، واحتراق النار، وغليان الماء. ومع ذلك، فإن نظرية "الإنتروبيا" تقدم طبقة أخرى من المعنى لهذا الفهم.
تم اقتراح هذه النظرية من قبل فريق بقيادة زيكوي ليو، أستاذ دوروثي بات إنرايت المتميز في قسم علوم وهندسة المواد في ولاية بنسلفانيا. الحرف "Z" في zentropy يأتي من المصطلح الألماني "Zustandssumm"، وهو ما يعني "مجموع حالات" الإنتروبيا.
وقال ليو إن كلمة "zentropy" يمكن أن ينظر إليها أيضًا على أنها متجانسة للمصطلح البوذي "Zen" والإنتروبيا، والتي تستخدم للكشف عن طبيعة النظام. وقال ليو إن الفكرة هي النظر في كيفية حدوث الإنتروبيا على مستويات متعددة داخل النظام للمساعدة في التنبؤ بالنتائج المحتملة عندما يتأثر النظام بالبيئة المحيطة به.
نشر ليو وفريقه البحثي أحدث أبحاثهم حول هذا المفهوم، موضحين أن هذا النهج يمكن أن يوفر طريقة للتنبؤ بالنتائج التجريبية وتمكين اكتشاف وتصميم أكثر كفاءة للمواد الكهروضوئية الجديدة. يجمع العمل، المنشور في ScriptaMaterialia، بين بعض الحدس وثروة من المعرفة الفيزيائية لتوفير نهج خالٍ من المعلمات للتنبؤ بسلوك المواد المتقدمة.
ويقول الباحثون إن الكهرباء الحديدية لها خصائص فريدة تجعلها ذات قيمة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، سواء في الوقت الحالي أو قيد التطوير. إحدى هذه الخصائص هي الاستقطاب الكهربائي التلقائي الذي يمكن عكسه من خلال تطبيق مجال كهربائي، والذي مكن من تطوير تقنيات تتراوح بين الموجات فوق الصوتية إلى الطابعات النافثة للحبر وذاكرة الوصول العشوائي الموفرة للطاقة في أجهزة الكمبيوتر إلى الجيروسكوبات التي تعمل بالطاقة الكهروضوئية في الهواتف الذكية، مما يتيح مقاطع فيديو سلسة وصورًا واضحة.
لتطوير هذه التقنيات، يحتاج الباحثون إلى فهم سلوك هذا الاستقطاب وعكسه بشكل تجريبي. لتحسين الكفاءة، غالبًا ما يصمم الباحثون تجارب بناءً على النتائج المتوقعة. عادةً، تتطلب مثل هذه التنبؤات تعديلات تسمى "المعلمات المناسبة" لتتوافق بشكل وثيق مع متغيرات العالم الحقيقي، الأمر الذي يستغرق وقتًا وجهدًا لتحديده. لكن إنتروبيا Zen يمكنها دمج الميكانيكا الإحصائية من أعلى إلى أسفل وميكانيكا الكم من أسفل إلى أعلى للتنبؤ بالقياسات التجريبية لنظام ما دون الحاجة إلى مثل هذه التعديلات.
وقال ليو: "بالطبع، في النهاية، التجارب هي الاختبار النهائي، لكننا وجدنا أن zentropy يمكن أن توفر تنبؤات كمية تضيق نطاق الاحتمالات بشكل كبير". "يمكننا تصميم تجارب أفضل لاستكشاف المواد الكهروضوئية، وسوف تتقدم الجهود البحثية بشكل أسرع، مما يعني أنه يمكن توفير الوقت والطاقة والمال وزيادة الكفاءة."
في حين نجح ليو وفريقه في تطبيق نظرية زين إنتروبيا للتنبؤ بالخصائص المغناطيسية لمجموعة من المواد في ظل ظواهر مختلفة، فإن اكتشاف كيفية تطبيقها على المواد الكهروضوئية كان مشكلة شائكة. في الدراسة الحالية، أفاد الباحثون أنهم وجدوا طريقة لتطبيق نظرية زين إنتروبيا على المواد الكهروضوئية، مع التركيز على تيتانات الرصاص. مثل جميع المواد الكهروضوئية، يتمتع تيتانات الرصاص بقطبية كهربائية يمكن عكسها عند تطبيق مجال كهربائي خارجي، أو تغير في درجة الحرارة، أو ضغط ميكانيكي.
عندما يقوم مجال كهربائي بعكس الاستقطاب الكهربائي، يتغير النظام من النظام إلى الفوضى في اتجاه واحد، ثم يعود إلى النظام مرة أخرى عندما يستقر النظام في الاتجاه الجديد. ومع ذلك، فإن هذه الطاقة الكهروضوئية لا تحدث إلا تحت درجة حرارة حرجة فريدة لكل مادة كهروضوئية. وفوق درجة الحرارة هذه، تختفي الكهرباء الحديدية – القدرة على عكس الاستقطاب – وتظهر الكهرباء شبه – القدرة على الاستقطاب. ويسمى هذا التغيير تغيير المرحلة. وقال ليو إن قياسات درجات الحرارة هذه يمكن أن تكشف عن معلومات أساسية حول النتائج التجريبية المختلفة. ومع ذلك، فإن التنبؤ بالتحولات الطورية قبل التجارب يكاد يكون مستحيلاً.
وقال ليو: "لا توجد نظرية أو طريقة يمكنها التنبؤ بدقة بالطاقة الحرة والانتقال المرحلي للمواد الكهروضوئية قبل التجارب". "إن أفضل تنبؤ لدرجة الحرارة الانتقالية يختلف عن درجة الحرارة الفعلية في التجربة بأكثر من 100 درجة."
سبب هذا الاختلاف هو عدم اليقين غير المعروف في النموذج وعدم قدرة المعلمات الملائمة على مراعاة جميع المعلومات البارزة التي تؤثر على القياسات الفعلية. على سبيل المثال، تصف إحدى النظريات شائعة الاستخدام السمات العيانية للكهرباء الحديدية وشبه الكهرباء، ولكنها لا تأخذ في الاعتبار السمات المجهرية مثل جدران المجال الديناميكي - الحدود بين المناطق ذات خصائص الاستقطاب المختلفة داخل المادة. هذه التكوينات هي اللبنات الأساسية للنظام وتتقلب بشكل كبير مع التغيرات في درجة الحرارة والمجال الكهربائي.
في مجال الطاقة الكهروضوئية، يؤدي تكوين ثنائيات القطب الكهربائي في المادة إلى تغيير اتجاه الاستقطاب. استخدم الباحثون إنتروبيا Zen للتنبؤ بالتحولات الطورية لتيتانات الرصاص، بما في ذلك تحديد ثلاثة تكوينات محتملة في المادة.
توقعات الباحثين صحيحة ومتسقة مع الملاحظات التجريبية الواردة في الأدبيات العلمية. استخدموا بيانات طاقة جدار المجال المتاحة للعامة للتنبؤ بدرجة حرارة انتقالية تبلغ 776 كلفن، والتي تتفق جيدًا مع درجة حرارة التحول التجريبية المرصودة البالغة 763 كلفن. وقال ليو إن فريق البحث يعمل على تضييق الفجوة بين درجات الحرارة المتوقعة والمرصودة من خلال التنبؤ بشكل أفضل بطاقة جدار المجال كدالة لدرجة الحرارة.
قال ليو إن هذه القدرة على التنبؤ بدرجة الحرارة الانتقالية بشكل قريب جدًا من القياسات الفعلية يمكن أن توفر رؤى قيمة حول الخصائص الفيزيائية للمواد الكهروضوئية وتساعد العلماء على تصميم التجارب بشكل أفضل: "هذا يعني في الأساس أنه يمكنك الحصول على بعض طرق الحدس والتنبؤ حول السلوك المجهري والعياني للمادة قبل إجراء التجربة. يمكننا البدء في التنبؤ بدقة بالنتائج قبل التجربة."
ومن بين الباحثين الآخرين في ولاية بنسلفانيا الذين عملوا مع ليو في الدراسة، شونلي شانغ، أستاذ باحث في علوم وهندسة المواد، ويي وانغ، أستاذ باحث في علوم وهندسة المواد، وجينجليان دو، باحث في علوم وهندسة المواد في وقت الدراسة.