science >> Wetenschap >  >> Fysica

Wanneer de demon van Maxwell zijn tijd neemt:de reactietijd van microdeeltjes meten

Wetenschappers hebben nieuwe fundamentele limieten bevestigd die tijdsvertraging oplegt aan de acties van de demon die niet worden gedekt door de standaardwetten van de thermodynamica. Krediet:Maxime Debiossac, Stefan Lindner/Universiteit van Wenen

Onderzoekers van de universiteiten van Wenen en Stuttgart hebben een versie van de demon van Maxwell onderzocht, belichaamd door een vertraagde feedbackkracht die inwerkt op een zwevend microdeeltje. Ze bevestigden nieuwe fundamentele limieten die tijdsvertraging oplegt aan de acties van de demon die niet worden gedekt door de standaardwetten van de thermodynamica. Het team van wetenschappers publiceerde hun nieuwe studie in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De demon van een Maxwell is een hypothetisch intelligent wezen dat in staat is om de bewegingen van individuele moleculen te detecteren en erop te reageren. In zijn gedachte-experiment James Clerk Maxwell stelde zich een demon voor die een kleine deur bestuurt die twee kamers van gasmoleculen met elkaar verbindt. Door alleen de snelle hete moleculen in één kamer door te laten, de demon scheidt koude van hete moleculen en vermindert zo de stoornis, entropie, van het systeem in schijnbare tegenspraak met de tweede wet van de thermodynamica.

Vandaag de dag, het gedachte-experiment van de demon van Maxwell kan worden gerealiseerd door b.v. een microdeeltje onderworpen aan feedbackcontrole. Dit betekent dat de positie van een deeltje wordt gemeten, de informatie wordt opgeslagen en gebruikt om energie uit het microdeeltje te halen door een geschikte feedbackkracht toe te passen. In eerdere onderzoeken is echter, er was nooit rekening gehouden met de reactietijd van de demon. Dit heeft invloed op de prestaties van de demon en moet in realistische scenario's in overweging worden genomen.

Voortbouwend op een recente theoretische studie van M.L. Rosinberg en T. Munakata, een internationale samenwerking van onderzoekers van de Universiteit van Wenen (Oostenrijk) en de Universiteit van Stuttgart (Duitsland) heeft nu het effect van tijdvertraging onderzocht in een thermodynamische benadering van de demon van Maxwell. De wetenschappers gebruikten een microdeeltje dat optisch werd zwevend gehouden door laserlicht. Het deeltje oscilleert in een optisch pincet in vacuüm terwijl het wordt blootgesteld aan willekeurige botsingen met het omringende gas, Brownse beweging genoemd. De demon gerealiseerd door een elektronisch circuit verwerft informatie over het microdeeltje door zijn positie te volgen, en geldt, na een zekere vertraging, een overeenkomstige feedbackkracht op het microdeeltje met behulp van een tweede laser. Uit hun experiment de wetenschappers waren in staat om thermodynamische grootheden te bepalen, zoals uitgewisselde warmte en entropiestroom. Hun resultaten bevestigen met succes de nieuwe versie van de tweede wet, inclusief tijdsvertraging. "We hebben een thermodynamische benadering gebruikt om de rol van tijdvertragingen in realistische feedbackloops te begrijpen. Hier, zwevende microdeeltjes zijn een ideaal testbed dat uitstekende controle biedt over de deeltjesdynamiek", zegt Maxime Debiossac, hoofdauteur van de studie.

Als gevolg van de nieuwe studie, de entropiestroom stelt nieuwe grenzen aan de onttrokken energie, of met andere woorden, over hoe efficiënt een demon kan werken. Naast het kwantificeren van deze efficiëntie, de wetenschappers merkten op dat de demon gedurende zeer lange vertragingen een willekeurige beweging van het deeltje veroorzaakt die verschilt van de gebruikelijke Brownse beweging. "Onze resultaten geven thermodynamische limieten aan die ook van invloed zullen zijn op die experimenten die afhankelijk zijn van feedback om mechanische systemen in het kwantumregime te brengen", zegt Nikolai Kiesel, hoofd van het team van de Universiteit van Wenen, "we zijn nu heel benieuwd naar de gevolgen die ons onderzoek zal hebben voor dat regime."