Maxwells dæmon i kvante -Zeno -regimet

I det originale Maxwells dæmon -tankeeksperiment, en dæmon foretager kontinuerlige målinger på et system med varme og kolde reservoirer, opbygning af en termisk gradient, der senere kan bruges til at udføre arbejde. Da dæmonens målinger ikke forbruger energi, det ser ud til, at dæmonen overtræder termodynamikkens anden lov, selvom dette paradoks kan løses ved at overveje, at dæmonen bruger information til at udføre sine sorteringsopgaver.

Det er velkendt, at når et kvantesystem måles kontinuerligt, det fryser, dvs. det holder op med at ændre sig, hvilket skyldes et fænomen kaldet kvante -Zeno -effekten. Dette leder til spørgsmålet:hvad kan der ske, når Maxwells dæmon går ind i kvante-Zenos regime? Vil dæmonens kontinuerlige målinger få kvantesystemet til at fryse og forhindre arbejdsudvinding, eller vil dæmonen stadig være i stand til at påvirke systemets dynamik?

I et papir offentliggjort i New Journal of Physics , fysikerne Georg Engelhardt og Gernot Schaller ved det tekniske universitet i Berlin har teoretisk implementeret Maxwells dæmon i en enkelt-elektron-transistor for at undersøge dæmonens handlinger i kvante-Zeno-regimet.

I deres model, single-elektron transistoren består af to elektronreservoirer koblet med en kvantepunkt, med en dæmon, der foretager kontinuerlige målinger på systemet. Forskerne demonstrerede, at som forudsagt af kvante -Zeno -effekten, dæmonens kontinuerlige målinger blokerer for strømmen mellem de to reservoirer. Som resultat, dæmonen kan ikke udtrække arbejde.

Imidlertid, forskerne undersøgte også, hvad der sker, når dæmonens målinger ikke er helt kontinuerlige. De fandt ud af, at der er en optimal målehastighed, hvormed målingerne ikke får systemet til at fryse, men hvor der opbygges en kemisk gradient mellem de to reservoirer og der kan udvindes arbejde.

"Den centrale betydning af vores fund er, at det er nødvendigt at undersøge den forbigående korttidsdynamik af termoelektriske enheder, for at finde den optimale ydelse, ”Fortalte Engelhardt Phys.org . "Dette kan være vigtigt for at forbedre teknologiske enheder i nanoskala."

Fysikerne forklarer, at dette mellemregime ligger mellem det kvanteregime, hvor ægte kvanteeffekter forekommer, og det klassiske regime. Det særligt attraktive ved dette regime er, at på grund af dæmonens målinger, systemets samlede energi falder, så der ikke skal investeres ekstern energi for at få dæmonen til at virke.

"På grund af den anvendte ikke-markoviske metode, vi har været i stand til at finde en arbejdstilstand for dæmonen, hvor det-udover opbygningen af ​​den kemiske gradient-også vinder arbejde på grund af målingen, "Forklarede Engelhardt.

Fremadrettet, det kan være muligt at udtrække arbejde fra den kemiske gradient og bruge det, for eksempel, at oplade et batteri. Forskerne planlægger at tage fat på denne mulighed og andre i fremtiden.

"I vores fremtidige forskning, vi sigter mod at undersøge potentielle applikationer, "Sagde Engelhardt." Feedbackprocesser er vigtige, for eksempel, i mange biologiske processer. Vi håber at identificere og analysere kvantetransportprocesser ud fra et feedback -synspunkt.

"Desuden, vi er interesseret i feedback -kontrol af topologiske båndstrukturer. Da topologiske effekter er stærkt afhængige af sammenhængende dynamik, målinger synes at være en hindring for feedback -kontrol. Imidlertid, for en passende svag måling, som kun delvist ødelægger den sammenhængende kvantetilstand, en feedback -manipulation kan være rimelig. "

© 2018 Phys.org