In het originele Maxwell's demon-gedachte-experiment, een demon doet continue metingen aan een systeem van warme en koude reservoirs, het opbouwen van een thermische gradiënt die later kan worden gebruikt om werkzaamheden uit te voeren. Omdat de metingen van de demon geen energie verbruiken, het lijkt erop dat de demon de tweede wet van de thermodynamica schendt, hoewel deze paradox kan worden opgelost door te bedenken dat de demon informatie gebruikt om zijn sorteertaken uit te voeren.

Het is bekend dat wanneer een kwantumsysteem continu wordt gemeten, het vriest, d.w.z., het stopt met veranderen, wat te wijten is aan een fenomeen dat het kwantum Zeno-effect wordt genoemd. Dit leidt tot de vraag:wat kan er gebeuren als de demon van Maxwell het kwantum Zeno-regime binnengaat? Zullen de continue metingen van de demon ervoor zorgen dat het kwantumsysteem bevriest en werkextractie wordt voorkomen? of zal de demon nog steeds de dynamiek van het systeem kunnen beïnvloeden?

In een paper gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde , natuurkundigen Georg Engelhardt en Gernot Schaller van de Technische Universiteit van Berlijn hebben de demon van Maxwell theoretisch geïmplementeerd in een transistor met één elektron om de acties van de demon in het kwantum Zeno-regime te onderzoeken.

In hun model de enkelvoudige elektronentransistor bestaat uit twee elektronenreservoirs gekoppeld door een kwantumdot, met een demon die continue metingen doet aan het systeem. De onderzoekers toonden aan dat, zoals voorspeld door het kwantum Zeno-effect, de continue metingen van de demon blokkeren de stroom tussen de twee reservoirs. Als resultaat, de demon kan geen werk extraheren.

Echter, de onderzoekers onderzochten ook wat er gebeurt als de metingen van de demon niet helemaal continu zijn. Ze ontdekten dat er een optimale meetsnelheid is waarbij de metingen het systeem niet laten bevriezen, maar waar een chemische gradiënt ontstaat tussen de twee reservoirs en werk kan worden gewonnen.

"De belangrijkste betekenis van onze bevindingen is dat het noodzakelijk is om de tijdelijke kortstondige dynamiek van thermo-elektrische apparaten te onderzoeken, om de optimale prestatie te vinden, "Engelhardt vertelde" Phys.org . "Dit kan belangrijk zijn voor het verbeteren van technologische apparaten op nanoschaal."

De natuurkundigen leggen uit dat dit tussenregime ligt tussen het kwantumregime waarin echte kwantumeffecten optreden en het klassieke regime. Wat vooral aantrekkelijk is aan dit regime is dat, vanwege de afmetingen van de demon, de totale energie van het systeem neemt af zodat er geen externe energie hoeft te worden geïnvesteerd om de demon te laten werken.

"Door de toegepaste niet-Markoviaanse methode, we hebben een werkmodus van de demon kunnen vinden, waarbij het - naast de opbouw van de chemische gradiënt - ook werk krijgt door de meting, ’ legde Engelhardt uit.

Vooruit gaan, het is misschien mogelijk om werk uit de chemische gradiënt te halen en te gebruiken, bijvoorbeeld, om een ​​batterij op te laden. De onderzoekers zijn van plan om deze mogelijkheid en andere in de toekomst aan te pakken.

"In ons toekomstig onderzoek we willen potentiële toepassingen onderzoeken, Engelhardt zei. "Feedbackprocessen zijn belangrijk, bijvoorbeeld, in veel biologische processen. We hopen kwantumtransportprocessen te identificeren en te analyseren vanuit een feedbackperspectief.

"Verder, we zijn geïnteresseerd in feedbackcontrole van topologische bandstructuren. Omdat topologische effecten sterk afhankelijk zijn van coherente dynamiek, metingen lijken een obstakel te zijn voor feedbackcontrole. Echter, voor een geschikte zwakke meting, die de coherente kwantumtoestand slechts gedeeltelijk vernietigt, een feedbackmanipulatie zou redelijk kunnen zijn."

© 2018 Fys.org