(Phys.org) - För några år sedan, fysiker visade att det är möjligt att radera information utan att använda någon energi, i motsats till antagandet då att radering av information måste kräva energi. Istället, forskarna visade att kostnaden för radering kan betalas i termer av en godtycklig fysisk kvantitet som spinnvinkelmoment - vilket tyder på att värmeenergi inte är den enda bevarade kvantiteten inom termodynamik.

Undersöker denna idé vidare, fysikerna Toshio Croucher, Salil Bedkihal, och Joan A. Vaccaro vid Center for Quantum Dynamics, Griffith University, Brisbane, Queensland, Australien, har nu upptäckt några intressanta resultat om de små svängningarna i spinnkostnaden för att radera information. Arbetet kan leda till utveckling av nya typer av värmemotorer och informationsbehandlingsanordningar.

Som forskarna förklarar i en ny artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev , möjligheten att information kan raderas till noll energikostnad är först överraskande på grund av det faktum att energi och entropi är så nära besläktade inom termodynamik. I samband med information, radering av information motsvarar entropi -radering (eller minskning av entropi) och kräver därför en minimal mängd energi, som bestäms av Landauers raderingsprincip.

Eftersom Landauers raderingsprincip motsvarar termodynamikens andra lag, noll-energi raderingsschemat med godtyckliga bevarade mängder kan ses som en generaliserad andra lag av termodynamik. Denna idé går tillbaka till minst 1957, när E.T. Jaynes föreslog ett alternativ till den andra lagen där man tänker på värmeenergi på ett mer allmänt sätt än vanligt, så att värme innehåller andra typer av bevarade mängder.

Tillämpa denna ram på radering av information, 2011 visade Vaccaro och Stephen Barnett att energikostnaden för radering av information kan ersättas med en eller flera olika sparade kvantiteter - specifikt snurra vinkelmoment.

En viktig skillnad mellan värmeenergi och vridmoment i spinn är att, medan värme kan eller inte kan kvantifieras, spin -vinkelmoment är en inneboende kvantmekanisk egenskap, och så är det alltid kvantiserat. Detta har konsekvenser när det gäller att redogöra för små fluktuationer i dessa mängder som blir betydande när man utformar system på nanoskala.

Forskare har först nyligen undersökt dessa fluktuationer inom ramen för Landauer -principen, där de fann att dessa fluktuationer snabbt undertrycks av något som kallas Jarzynski -jämlikhet. Detta innebär att värmeenergifluktuationer endast har en mycket liten sannolikhet att bryta mot Landauer -principen.

I den nya studien, forskarna har för första gången undersökt motsvarande diskreta fluktuationer som uppstår när man raderar information med hjälp av snurr.

Bland deras resultat, forskarna fann att de diskreta fluktuationerna undertrycks ännu snabbare än vad motsvarande förutspådde Jarzynski -jämlikhet för "spinlabor" - en ny term forskarna tänkt ut som betyder spin -ekvivalent med arbete. Detta är det första beviset för att slå denna gräns i ett informationsraderingskontext. Den snabba dämpningen innebär att fluktuationerna har en extremt låg sannolikhet att använda mindre än den minimala kostnad som krävs för att radera information med hjälp av snurr, som ges av Vaccaro-Barnett bunden, som är spinnekvivalenten till Landauer -principen.

"Vårt arbete generaliserar fluktuationsrelationer för radering med hjälp av godtyckliga bevarade mängder och avslöjar diskretens roll i radering, "Berättade Bedkihal Phys.org . "Vi erhöll också en sannolikhet för överträdelse som är hårdare än motsvarande Jarzynski -gräns. Detta är ett statistiskt signifikant resultat."

Forskarna påpekar också att denna process för att radera information med snurr redan har visats experimentellt, även om det verkar ha gått obemärkt förbi. Vid spin-exchange optisk pumpning, ljus används för att excitera elektroner i en atom till en högre energinivå. För att elektronerna ska återgå till sin lägre energinivå under avslappningsprocessen, atomer och kärnor kolliderar med varandra och utbyter snurr. Denna entropi-minskande process kan betraktas som analog med att radera information till en kostnad av spinnbyte.

Övergripande, de nya resultaten avslöjar insikt i termodynamiken i spinn och kan också vägleda utvecklingen av framtida applikationer. Dessa kan inkludera nya typer av värmemotorer och informationsbehandlingsenheter baserade på radering som använder billiga, lokalt tillgängliga resurser som spinnvinkelmoment. Forskarna planerar att ytterligare driva dessa möjligheter i framtiden.

"Raderingsmekanismen kan användas för att utforma generaliserade värmemotorer som arbetar under reservoarerna med flera bevarade mängder, såsom en termisk reservoar och en centrifugeringsreservoar, "Bedkihal sa." Till exempel, man kan designa värmemotorer med hjälp av halvledarkvantumsprutsystem där gittervibrationer utgör en termisk reservoar och kärnvridningar utgör en polariserad spinnreservoar. Sådana värmemotorer går utöver den traditionella Carnot -värmemotorn som arbetar under två värmebehållare. "

© 2017 Phys.org