Informationsmotoren fungerer med næsten perfekt effektivitet

Fysikere har eksperimentelt demonstreret en informationsmotor - en enhed, der konverterer information til arbejde - med en effektivitet, der overstiger den konventionelle anden lov for termodynamik. I stedet, motorens effektivitet er afgrænset af en nyligt foreslået generaliseret anden lov om termodynamik, og det er den første informationsmotor, der nærmer sig denne nye grænse.

Resultaterne viser både muligheden for at realisere en "tabsfri" informationsmotor-såkaldt fordi praktisk talt ingen af ​​de tilgængelige oplysninger går tabt, men i stedet næsten helt omdannes til arbejde-og validerer også eksperimentelt skarpheden af ​​den grænse, der er sat af det generaliserede sekund lov.

Fysikerne, Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, og Hyuk Kyu Pak ved Institute for Basic Science i Ulsan, Sydkorea (Tlusty og Pak er også hos Ulsan National Institute of Science and Technology), har offentliggjort et papir om den tabsfrie informationsmotor i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

"At tænke på motorer har drevet fremskridt inden for termodynamik og statistisk mekanik lige siden Carnot satte en grænse for varmemotorers effektivitet i 1824, "Fortalte Pak Phys.org . "Tilføjelse af informationsbehandling i form af 'dæmoner' satte nye begrænsninger, og det var vigtigt at kontrollere de nye grænser i eksperimentet. "

Traditionelt set den maksimale effektivitet, hvormed en motor kan omdanne energi til arbejde, er begrænset af termodynamikkens anden lov. I det sidste årti, imidlertid, eksperimenter har vist, at en motors effektivitet kan overgå den anden lov, hvis motoren kan få information fra sine omgivelser, da den derefter kan konvertere disse oplysninger til arbejde. Disse informationsmotorer (eller "Maxwells dæmoner, "opkaldt efter den første opfattelse af en sådan enhed) er muliggjort på grund af en grundlæggende forbindelse mellem information og termodynamik, som forskere stadig forsøger at forstå fuldt ud.

Naturligt, de seneste eksperimentelle demonstrationer af informationsmotorer har rejst spørgsmålet om, hvorvidt der er en øvre grænse for, hvor effektivt en informationsmotor kan omsætte information til arbejde. For at løse dette spørgsmål, forskere har for nylig udledt en generaliseret anden lov om termodynamik, som tegner sig for, at både energi og information omdannes til arbejde. Imidlertid, ingen eksperimentel informationsmotor har nærmet sig de forudsagte grænser, indtil nu.

Termodynamikkens generaliserede anden lov siger, at det arbejde, der udvindes fra en informationsmotor, er begrænset af summen af ​​to komponenter:den første er forskellen på fri energi mellem slut- og begyndelsestilstanden (dette er den eneste grænse, der er sat på konventionelle motorer af den konventionelle anden lov), og den anden er mængden af ​​tilgængelig information (denne del sætter en øvre grænse for det ekstra arbejde, der kan udvindes fra information).

For at opnå den maksimale effektivitet, der er fastsat i den generelle anden lov, forskerne i den nye undersøgelse designet og implementerede en informationsmotor lavet af en partikel fanget af lys ved stuetemperatur. Tilfældige termiske udsving får den lille partikel til at bevæge sig lidt på grund af brunisk bevægelse, og en fotodiode sporer partikelens skiftende position med en rumlig nøjagtighed på 1 nanometer. Hvis partiklen bevæger sig mere end en vis afstand fra sit udgangspunkt i en bestemt retning, lysfælden skifter hurtigt i partikelretningen. Denne proces gentages, således at motoren over tid transporterer partiklen i en ønsket retning blot ved at udtrække arbejde fra den information, den opnår fra systemets tilfældige termiske udsving (den frie energikomponent her er nul, så det bidrager ikke til det udvundne arbejde).

En af de vigtigste egenskaber ved dette system er dets næsten øjeblikkelige feedback-respons:fælden skifter på kun en brøkdel af et millisekund, giver partiklen ingen tid til at bevæge sig længere og sprede energi. Som resultat, næsten ingen af ​​energien ved skiftet går tabt til varme, men næsten det hele omdannes til arbejde. Ved at undgå stort set ethvert tab af information, information-til-energi-konverteringen af ​​denne proces når ca. 98,5% af grænsen fastsat af den generaliserede anden lov. Resultaterne giver støtte til denne grænse, og illustrere muligheden for at udtrække den størst mulige mængde arbejde fra information.

Udover deres grundlæggende konsekvenser, resultaterne kan også føre til praktiske anvendelser, som forskerne planlægger at undersøge i fremtiden.

"Både nanoteknologi og levende systemer opererer i skalaer, hvor samspillet mellem termisk støj og informationsbehandling er betydeligt, " sagde Pak. "Man kan tænke på konstruerede systemer, hvor information bruges til at styre molekylære processer og drive dem i den rigtige retning. En mulighed er at skabe hybrider af biologiske systemer og konstruerede systemer, selv i den levende celle. "

© 2018 Phys.org