ब्रह्मांड स्वाभाविक रूप से अव्यवस्था की ओर अग्रसर है, और केवल ऊर्जा के इनपुट के माध्यम से हम इस अपरिहार्य अराजकता का मुकाबला कर सकते हैं। यह विचार एन्ट्रापी की अवधारणा में समाहित है, जो बर्फ पिघलने, आग जलने और पानी उबलने जैसी रोजमर्रा की घटनाओं में स्पष्ट है। हालाँकि, "एन्ट्रॉपी" का सिद्धांत इस समझ में अर्थ की एक और परत पेश करता है।
यह सिद्धांत पेन स्टेट में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग में प्रतिष्ठित डोरोथी पैट एनराइट प्रोफेसर ज़िकुई लियू के नेतृत्व वाली एक टीम द्वारा प्रस्तावित किया गया था। ज़ेनट्रॉपी में "Z" जर्मन शब्द "ज़स्टैंडसम" से आया है, जिसका अर्थ है एन्ट्रापी का "राज्यों का योग"।
लियू ने कहा कि "ज़ेंट्रॉपी" को बौद्ध शब्द "ज़ेन" और एन्ट्रॉपी के होमोफ़ोन के रूप में भी देखा जा सकता है, जिसका उपयोग किसी प्रणाली की प्रकृति को प्रकट करने के लिए किया जाता है। लियू ने कहा, विचार इस बात पर विचार करना है कि सिस्टम के आसपास के वातावरण से प्रभावित होने पर संभावित परिणामों की भविष्यवाणी करने में मदद के लिए सिस्टम के भीतर कई स्तरों पर एन्ट्रॉपी कैसे होती है।
लियू और उनकी शोध टीम ने इस अवधारणा पर अपना नवीनतम पेपर प्रकाशित किया, जिसमें दिखाया गया कि यह दृष्टिकोण प्रयोगात्मक परिणामों की भविष्यवाणी करने और नई फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की अधिक कुशल खोज और डिजाइन को सक्षम करने का एक तरीका प्रदान कर सकता है। स्क्रिप्टमटेरियलिया में प्रकाशित कार्य, उन्नत सामग्रियों के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए एक पैरामीटर-मुक्त दृष्टिकोण प्रदान करने के लिए भौतिक विज्ञान के ज्ञान के साथ कुछ अंतर्ज्ञान को जोड़ता है।
शोधकर्ताओं का कहना है कि फेरोइलेक्ट्रिक्स में अद्वितीय गुण हैं जो उन्हें वर्तमान और विकास दोनों में विभिन्न अनुप्रयोगों में मूल्यवान बनाते हैं। ऐसी ही एक संपत्ति सहज विद्युत ध्रुवीकरण है जिसे विद्युत क्षेत्र के अनुप्रयोग द्वारा उलटा किया जा सकता है, जिसने अल्ट्रासाउंड से लेकर इंकजेट प्रिंटर और कंप्यूटर में ऊर्जा-कुशल रैम से लेकर स्मार्टफोन में फेरोइलेक्ट्रिक रूप से संचालित जाइरोस्कोप तक प्रौद्योगिकियों के विकास को सक्षम किया है, जिससे सहज वीडियो और तेज तस्वीरें सक्षम हो सकी हैं।
इन तकनीकों को विकसित करने के लिए, शोधकर्ताओं को इस ध्रुवीकरण और इसके उलट के व्यवहार को प्रयोगात्मक रूप से समझने की आवश्यकता है। दक्षता में सुधार के लिए, शोधकर्ता अक्सर पूर्वानुमानित परिणामों के आधार पर प्रयोग डिजाइन करते हैं। आमतौर पर, ऐसी भविष्यवाणियों के लिए वास्तविक दुनिया के चर से निकटता से मेल खाने के लिए "फिटिंग पैरामीटर" नामक समायोजन की आवश्यकता होती है, जिसे निर्धारित करने में समय और प्रयास लगता है। लेकिन ज़ेन एन्ट्रॉपी ऐसे समायोजन की आवश्यकता के बिना किसी सिस्टम के प्रायोगिक माप की भविष्यवाणी करने के लिए टॉप-डाउन सांख्यिकीय यांत्रिकी और बॉटम-अप क्वांटम यांत्रिकी को एकीकृत कर सकती है।
"बेशक, अंत में, प्रयोग अंतिम परीक्षण हैं, लेकिन हमने पाया कि ज़ेंट्रॉपी मात्रात्मक भविष्यवाणियां प्रदान कर सकती है जो संभावनाओं की सीमा को काफी कम कर देती है," लियू ने कहा। "हम फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का पता लगाने के लिए बेहतर प्रयोग डिजाइन कर सकते हैं, और अनुसंधान प्रयास तेजी से आगे बढ़ेंगे, जिसका अर्थ है कि समय, ऊर्जा और धन बचाया जा सकता है और अधिक कुशल बनाया जा सकता है।"
जबकि लियू और उनकी टीम ने विभिन्न घटनाओं के तहत सामग्रियों की एक श्रृंखला के चुंबकीय गुणों की भविष्यवाणी करने के लिए ज़ेन एन्ट्रॉपी सिद्धांत को सफलतापूर्वक लागू किया है, यह पता लगाना कि इसे फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों पर कैसे लागू किया जाए, एक कांटेदार समस्या रही है। वर्तमान अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने रिपोर्ट दी है कि उन्होंने लेड टाइटेनेट पर ध्यान केंद्रित करते हुए ज़ेन एन्ट्रॉपी सिद्धांत को फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों पर लागू करने का एक तरीका ढूंढ लिया है। सभी फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की तरह, लेड टाइटेनेट में एक विद्युत ध्रुवता होती है जिसे बाहरी विद्युत क्षेत्र, तापमान परिवर्तन या यांत्रिक तनाव लागू होने पर उलटा किया जा सकता है।
जब कोई विद्युत क्षेत्र विद्युत ध्रुवीकरण को उलट देता है, तो सिस्टम एक दिशा में क्रम से विकार में बदल जाता है, और फिर जब सिस्टम नई दिशा में स्थिर हो जाता है तो फिर से क्रम में आ जाता है। हालाँकि, यह फेरोइलेक्ट्रिसिटी केवल प्रत्येक फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री के लिए अद्वितीय महत्वपूर्ण तापमान से नीचे होती है। इस तापमान से ऊपर, फेरोइलेक्ट्रिसिटी - ध्रुवीकरण को उलटने की क्षमता - गायब हो जाती है, और पैराइलेक्ट्रिसिटी - ध्रुवीकरण करने की क्षमता - प्रकट होती है। इस परिवर्तन को चरण परिवर्तन कहा जाता है। लियू ने कहा कि इन तापमानों के मापन से विभिन्न प्रयोगात्मक परिणामों के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी सामने आ सकती है। हालाँकि, प्रयोगों से पहले चरण परिवर्तन की भविष्यवाणी करना लगभग असंभव है।
लियू ने कहा, "ऐसा कोई सिद्धांत या तरीका नहीं है जो प्रयोगों से पहले फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की मुक्त ऊर्जा और चरण संक्रमण की सटीक भविष्यवाणी कर सके।" "संक्रमण तापमान की सबसे अच्छी भविष्यवाणी प्रयोग में वास्तविक तापमान से 100 डिग्री से अधिक भिन्न थी।"
इस अंतर का कारण मॉडल में अज्ञात अनिश्चितताएं और वास्तविक माप को प्रभावित करने वाली सभी मुख्य जानकारी को ध्यान में रखने के लिए फिटिंग मापदंडों की अक्षमता है। उदाहरण के लिए, आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला एक सिद्धांत फेरोइलेक्ट्रिसिटी और क्वासिइलेक्ट्रिसिटी की स्थूल विशेषताओं का वर्णन करता है, लेकिन गतिशील डोमेन दीवारों जैसी सूक्ष्म विशेषताओं को ध्यान में नहीं रखता है - सामग्री के भीतर विभिन्न ध्रुवीकरण विशेषताओं वाले क्षेत्रों के बीच की सीमाएं। ये कॉन्फ़िगरेशन सिस्टम के निर्माण खंड हैं और तापमान और विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन के साथ महत्वपूर्ण रूप से उतार-चढ़ाव होते हैं।
फेरोइलेक्ट्रिक्स में, सामग्री में विद्युत द्विध्रुवों का विन्यास ध्रुवीकरण की दिशा बदल देता है। शोधकर्ताओं ने सामग्री में तीन संभावित विन्यासों की पहचान करने सहित, लेड टाइटेनेट के चरण संक्रमण की भविष्यवाणी करने के लिए ज़ेन एन्ट्रापी का उपयोग किया।
शोधकर्ताओं की भविष्यवाणियाँ वैज्ञानिक साहित्य में रिपोर्ट की गई प्रयोगात्मक टिप्पणियों के साथ मान्य और सुसंगत हैं। उन्होंने 776 केल्विन के संक्रमण तापमान की भविष्यवाणी करने के लिए सार्वजनिक रूप से उपलब्ध डोमेन वॉल ऊर्जा डेटा का उपयोग किया, जो 763 केल्विन के देखे गए प्रयोगात्मक संक्रमण तापमान से अच्छी तरह सहमत है। लियू ने कहा कि अनुसंधान टीम तापमान के कार्य के रूप में डोमेन दीवार ऊर्जा की बेहतर भविष्यवाणी करके पूर्वानुमानित और देखे गए तापमान के बीच अंतर को और कम करने के लिए काम कर रही है।
लियू ने कहा कि वास्तविक माप के इतनी करीब से संक्रमण तापमान की भविष्यवाणी करने की यह क्षमता फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री के भौतिक गुणों में मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकती है और वैज्ञानिकों को प्रयोगों को बेहतर ढंग से डिजाइन करने में मदद कर सकती है: "इसका मूल रूप से मतलब है कि प्रयोग करने से पहले आपके पास सामग्री के सूक्ष्म और स्थूल व्यवहार के बारे में कुछ अंतर्ज्ञान और भविष्यवाणी के तरीके हो सकते हैं। हम प्रयोग से पहले परिणामों की सटीक भविष्यवाणी करना शुरू कर सकते हैं।"
अध्ययन में लियू के साथ काम करने वाले अन्य पेन स्टेट शोधकर्ताओं में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के अनुसंधान प्रोफेसर शुनली शांग, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के अनुसंधान प्रोफेसर यी वांग और अध्ययन के समय सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग शोधकर्ता जिंगलियन डू शामिल हैं।