Transizione termodinamica di primo ordine e Inverse Freezing in un modello di vetro di spin in tre dimensioni

Negli ultimi anni il fenomeno ideale per cui raffreddando un solido si possa ottenere un liquido, meglio noto come transizione inversa (TI), è stato osservato in un numero sempre crescente di materiali tra cui: sostanze polimeriche, colloidi, superconduttori ad alta temperatura critica, proteine, sistemi nanometrici, superfici bidimensionali di materiali organici, semi-conduttori e leghe metalliche. Tale transizione di fase reversibile - controintuitiva se paragonata alle transizioni ordinarie tra solido e liquido - ammette differenti applicazioni tecnologiche come, ad esempio, il controllo delle impurità nei metalli e nei semiconduttori, la progettazione di dispositivi basati su semiconduttori ad alta prestazione, piuttosto che la possibilità di controllare le proprietà reologiche di alimenti, olii e vernici. Ancora, è possibile sfruttare le TI insieme alla proprietà di thermo-thickening in farmaceutica o per studiare le proprietà di solubilità e trasporto dei materiali. La fase solida può essere tanto cristallina quanto amorfa, nel secondo caso il fenomeno prende il nome di inverse freezing. Una IT avviene ogni volta che la fase fluida di alta temperatura - normalmente a più alto contenuto entropico - può esistere attraverso peculiari configurazioni che la rendono entropicamente vantaggiosa anche nella fase di bassa temperatura. Attraverso un modello minimale, la versione vetro di spin del modello Blume-Capel, un sistema disordinato dove le variabili di spin possono assumere i valori +/- 1 e 0, che presenta la fenomenologia dell'inverse freezing, utilizzando simulazioni numeriche con metodo Monte Carlo in tre dimensioni, siamo stati in grado di identificare uno degli ingredienti fondamentali per avere una IT: l'esistenza di uno stato ‘neutro'. Per cui, per certi valori di pressione e temperatura, una componente del sistema non interagisce con tutto il resto. Quando crescono il numero delle varibili (nel nostro caso spin-1) nello stato ‘neutro', ad esempio a causa di un incremento della pressione esterna o del potenziale chimico, il sistema può transire in una fase fluida (paramagnete) di bassa temperatura: avviene dunque un inverse freezing tra vetro di spin e para-magnete.

Autori: M. Paoluzzi, L. Leuzzi and A. Crisanti

Titolo: "Thermodynamic first order transition and inverse freezing in a 3D spin-glass

Rivista: Phys. Rev. Lett.

Anno: 2010

Riferimenti bibliografici: 104 (2010), 120602