Når Maxwells dæmon tager sin tid:Måling af mikropartikelreaktionstid

Forskere ved universiteterne Wien og Stuttgart har undersøgt en version af Maxwells dæmon, der er legemliggjort af en forsinket feedbackkraft, der virker på en svævet mikropartikel. De bekræftede nye grundlæggende grænser, som tidsforsinkelse pålægger dæmonens handlinger, som ikke er omfattet af termodynamikkens standardlove. Forskerteamet offentliggjorde deres nye undersøgelse i tidsskriftet Naturkommunikation .

En Maxwells dæmon er et hypotetisk intelligent væsen, der er i stand til at opdage og reagere på individuelle molekylers bevægelser. I sit tankeeksperiment, James Clerk Maxwell forestillede sig en dæmon, der styrer en lille dør, der forbinder to kamre med gasmolekyler. Ved kun at lade de hurtige varme molekyler passere i et kammer, dæmonen adskiller kulde fra varme molekyler, hvilket reducerer lidelsen, entropi, af systemet i tilsyneladende modstrid med termodynamikkens anden lov.

I dag, tankeeksperimentet med Maxwells dæmon kan realiseres ved f.eks. en mikropartikel, der udsættes for feedback -kontrol. Det betyder, at en partikels position måles, oplysningerne lagres og bruges til at udtrække energi fra mikropartiklen ved at anvende en passende feedbackkraft. I tidligere undersøgelser, imidlertid, dæmonens reaktionstid var aldrig blevet overvejet. Dette har indflydelse på dæmonens præstationer og bør tages i betragtning i realistiske scenarier.

Bygger på en nylig teoretisk undersøgelse af M.L. Rosinberg og T. Munakata, et internationalt samarbejde mellem forskere ved universitetet i Wien (Østrig) og ved universitetet i Stuttgart (Tyskland) har nu undersøgt effekten af ​​tidsforsinkelse i en termodynamisk tilgang til Maxwells dæmon. Forskerne brugte en mikropartikel, som optisk blev svævet af laserlys. Partiklen oscillerer i en optisk pincet i vakuum, mens den udsættes for tilfældige kollisioner med den omgivende gas, kaldes Brownsk bevægelse. Dæmonen realiseret af et elektronisk kredsløb indhenter oplysninger om mikropartiklen ved at spore dens position, og gælder, efter en vis forsinkelse, en tilsvarende tilbagekoblingskraft på mikropartiklen ved hjælp af en anden laser. Fra deres eksperiment, forskerne var i stand til at bestemme termodynamiske mængder såsom udvekslet varme og entropiflow. Deres resultater bekræfter med succes den nye version af den anden lov inklusive tidsforsinkelse. "Vi har brugt en termodynamisk tilgang til at forstå rollen som tidsforsinkelser i realistiske feedback loops. Her, leviterede mikropartikler er et ideelt testbed, der giver fremragende kontrol over partikeldynamikken, siger Maxime Debiossac, hovedforfatter af undersøgelsen.

Som en konsekvens af det nye studie, entropi -strømmen sætter nye grænser for den ekstraherede energi, eller med andre ord, om, hvor effektivt en dæmon kan fungere. Ud over at kvantificere denne effektivitet, forskerne observerede, at dæmonen i meget lange forsinkelser forårsager en vilkårlig bevægelse af partiklen, som er forskellig fra den sædvanlige browniske bevægelse. "Vores resultater angiver termodynamiske grænser, der også vil påvirke de eksperimenter, der er afhængige af feedback for at bringe mekaniske systemer ind i kvantestyret," siger Nikolai Kiesel, leder af teamet fra universitetet i Wien, "vi er nu meget nysgerrige efter, hvilke konsekvenser vores forskning vil få for det regime."