Fysiker har experimentellt demonstrerat en informationsmotor - en enhet som omvandlar information till arbete - med en effektivitet som överstiger den konventionella andra lagen för termodynamik. Istället, motorns effektivitet begränsas av en nyligen föreslagen generaliserad andra lag av termodynamik, och det är den första informationsmotorn som närmar sig denna nya gräns.

Resultaten visar både genomförbarheten av att förverkliga en "förlustfri" informationsmotor-så kallad eftersom praktiskt taget ingen av den tillgängliga informationen går förlorad utan istället nästan helt omvandlas till arbete-och validerar också experimentellt skärpan för den gräns som sattes av den generaliserade sekunden lag.

Fysikerna, Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, och Hyuk Kyu Pak vid Institute for Basic Science i Ulsan, Sydkorea (Tlusty och Pak är också med Ulsan National Institute of Science and Technology), har publicerat ett papper om den förlustfria informationsmotorn i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

"Att tänka på motorer har drivit framsteg inom termodynamik och statistisk mekanik ända sedan Carnot satte en gräns för värmemotorernas effektivitet 1824, "Berättade Pak Phys.org . "Att lägga till informationsbehandling i form av" demoner "sätter nya begränsningar, och det var viktigt att verifiera de nya gränserna i experimentet. "

Traditionellt, den maximala effektivitet med vilken en motor kan omvandla energi till arbete begränsas av termodynamikens andra lag. Under det senaste decenniet har dock, experiment har visat att en motors effektivitet kan överträffa den andra lagen om motorn kan få information från sin omgivning, eftersom den sedan kan omvandla den informationen till arbete. Dessa informationsmotorer (eller "Maxwells demoner, "uppkallad efter den första uppfattningen av en sådan enhet) möjliggörs på grund av en grundläggande koppling mellan information och termodynamik som forskare fortfarande försöker förstå till fullo.

Naturligtvis, de senaste experimentella demonstrationerna av informationsmotorer har väckt frågan om det finns en övre gräns för hur effektiv en informationsmotor kan omvandla information till arbete. För att ta upp denna fråga, forskare har nyligen härlett en generaliserad andra lag för termodynamik, som står för att både energi och information omvandlas till arbete. Dock, ingen experimentell informationsmotor har nått de förutsagda gränserna, tills nu.

Den generaliserade andra lagen för termodynamik säger att arbetet som extraheras från en informationsmotor är begränsat av summan av två komponenter:den första är skillnaden i fri energi mellan slut- och initialtillstånden (detta är den enda gräns som konventionella motorer sätter på konventionella motorer andra lagen), och den andra är mängden tillgänglig information (denna del sätter en övre gräns för det extra arbete som kan extraheras från information).

För att uppnå maximal effektivitet som anges i den allmänna andra lagen, forskarna i den nya studien utformade och implementerade en informationsmotor gjord av en partikel som fångades av ljus vid rumstemperatur. Slumpmässiga termiska fluktuationer gör att den lilla partikeln rör sig något på grund av brunisk rörelse, och en fotodiod spårar partikelns förändrade position med en rumslig noggrannhet på 1 nanometer. Om partikeln rör sig mer än ett visst avstånd från startpunkten i en viss riktning, ljusfällan skiftar snabbt i partikelns riktning. Denna process upprepas, så att motorn med tiden transporterar partikeln i önskad riktning helt enkelt genom att extrahera arbete från den information som den får från systemets slumpmässiga termiska fluktuationer (den fria energikomponenten här är noll, så det bidrar inte till det extraherade arbetet).

En av de viktigaste funktionerna i detta system är dess nästan omedelbara återkopplingssvar:fällan skiftar på bara en bråkdel av en millisekund, ger partikeln ingen tid att gå vidare och sprida energi. Som ett resultat, nästan ingen av den energi som skaffas av skiftet går förlorad i värme, men nästan allt omvandlas till arbete. Genom att undvika praktiskt taget all informationsförlust, information-till-energi-omvandlingen av denna process når cirka 98,5% av den gräns som anges av den allmänna andra lagen. Resultaten ger stöd för denna gräns, och illustrera möjligheten att extrahera den maximala mängden arbete som är möjligt från information.

Förutom deras grundläggande konsekvenser, resultaten kan också leda till praktiska tillämpningar, som forskarna planerar att undersöka i framtiden.

"Både nanoteknik och levande system fungerar i skalor där samspelet mellan termiskt buller och informationsbehandling är betydande, "Pak sa." Man kan tänka på konstruerade system där information används för att styra molekylära processer och driva dem i rätt riktning. En möjlighet är att skapa hybrider av biologiska system och konstruerade sådana, även i den levande cellen. "

© 2018 Phys.org