Natuurkundigen hebben experimenteel een informatiemotor gedemonstreerd - een apparaat dat informatie omzet in werk - met een efficiëntie die de conventionele tweede wet van de thermodynamica overtreft. In plaats daarvan, de efficiëntie van de motor wordt begrensd door een recentelijk voorgestelde algemene tweede wet van de thermodynamica, en het is de eerste informatiemotor die deze nieuwe grens nadert.

De resultaten demonstreren zowel de haalbaarheid van het realiseren van een "lossless" informatie-engine - zogenaamd omdat vrijwel geen van de beschikbare informatie verloren gaat maar in plaats daarvan bijna volledig wordt omgezet in werk - en valideert ook experimenteel de scherpte van de grens die is ingesteld door de gegeneraliseerde tweede wet.

de fysici, Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, en Hyuk Kyu Pak aan het Institute for Basic Science in Ulsan, Zuid-Korea (Tlusty en Pak zijn ook verbonden aan het Ulsan National Institute of Science and Technology), hebben een paper gepubliceerd over de lossless information engine in een recent nummer van: Fysieke beoordelingsbrieven .

"Het denken aan motoren heeft de vooruitgang van de thermodynamica en statistische mechanica gestimuleerd sinds Carnot in 1824 een limiet stelde aan de efficiëntie van warmtemotoren, "Pak vertelde" Phys.org . "Het toevoegen van informatieverwerking in de vorm van 'demonen' stelt nieuwe beperkingen, en het was essentieel om de nieuwe limieten in het experiment te verifiëren."

traditioneel, het maximale rendement waarmee een motor energie kan omzetten in arbeid wordt begrensd door de tweede wet van de thermodynamica. In het afgelopen decennium, echter, experimenten hebben aangetoond dat de efficiëntie van een motor de tweede wet kan overtreffen als de motor informatie uit zijn omgeving kan halen, omdat het die informatie vervolgens in werk kan omzetten. Deze informatie-engines (of "Maxwells demonen, " genoemd naar de eerste conceptie van een dergelijk apparaat) worden mogelijk gemaakt door een fundamentele verbinding tussen informatie en thermodynamica die wetenschappers nog steeds volledig proberen te begrijpen.

Van nature, de recente experimentele demonstraties van informatie-engines hebben de vraag doen rijzen of er een bovengrens is aan de efficiëntie waarmee een informatie-engine informatie in werk kan omzetten. Om deze vraag te beantwoorden, onderzoekers hebben onlangs een algemene tweede wet van de thermodynamica afgeleid, waardoor zowel energie als informatie worden omgezet in werk. Echter, geen enkele experimentele informatie-engine heeft de voorspelde grenzen benaderd, tot nu.

De algemene tweede wet van de thermodynamica stelt dat het werk dat wordt geëxtraheerd uit een informatiemachine wordt beperkt door de som van twee componenten:de eerste is het vrije energieverschil tussen de eindtoestand en de begintoestand (dit is de enige limiet die door de conventionele tweede wet), en de andere is de hoeveelheid beschikbare informatie (dit deel stelt een bovengrens aan het extra werk dat uit informatie kan worden gehaald).

Om de maximale efficiëntie te bereiken die is ingesteld door de algemene tweede wet, de onderzoekers in de nieuwe studie ontwierpen en implementeerden een informatie-engine gemaakt van een deeltje dat op kamertemperatuur door licht wordt gevangen. Willekeurige thermische fluctuaties zorgen ervoor dat het kleine deeltje enigszins beweegt als gevolg van Brownse beweging, en een fotodiode volgt de veranderende positie van het deeltje met een ruimtelijke nauwkeurigheid van 1 nanometer. Als het deeltje meer dan een bepaalde afstand van zijn startpunt in een bepaalde richting beweegt, de lichtval verschuift snel in de richting van het deeltje. Dit proces herhaalt zich, zodat de motor het deeltje na verloop van tijd in een gewenste richting transporteert door simpelweg arbeid te extraheren uit de informatie die het verkrijgt uit de willekeurige thermische fluctuaties van het systeem (de vrije-energiecomponent is hier nul, het draagt ​​dus niet bij aan het geëxtraheerde werk).

Een van de belangrijkste kenmerken van dit systeem is de bijna onmiddellijke feedbackrespons:de trap verschuift in slechts een fractie van een milliseconde, waardoor het deeltje geen tijd heeft om verder te bewegen en energie te dissiperen. Als resultaat, bijna geen van de energie die door de verschuiving wordt gewonnen, gaat verloren aan warmte, maar bijna alles wordt omgezet in werk. Door praktisch elk informatieverlies te vermijden, de informatie-naar-energie-omzetting van dit proces bereikt ongeveer 98,5% van de grens die is vastgesteld door de algemene tweede wet. De resultaten ondersteunen deze gebondenheid, en illustreren de mogelijkheid om zoveel mogelijk werk uit informatie te halen.

Naast hun fundamentele implicaties, de resultaten kunnen ook leiden tot praktische toepassingen, die de onderzoekers in de toekomst willen onderzoeken.

"Zowel nanotechnologie als levende systemen werken op schalen waar de wisselwerking tussen thermische ruis en informatieverwerking aanzienlijk is, "Zei Pak. "Je zou kunnen denken aan gemanipuleerde systemen waarbij informatie wordt gebruikt om moleculaire processen te beheersen en in de goede richting te sturen. Een mogelijkheid is om hybriden te creëren van biologische en gemanipuleerde systemen, zelfs in de levende cel."

© 2018 Fys.org