I det ursprungliga Maxwells demon -tankeexperiment, en demon gör kontinuerliga mätningar på ett system med varma och kalla reservoarer, bygga upp en termisk gradient som senare kan användas för att utföra arbete. Eftersom demonens mätningar inte förbrukar energi, det verkar som om demonen bryter mot termodynamikens andra lag, även om denna paradox kan lösas genom att tänka på att demonen använder information för att utföra sina sorteringsuppgifter.

Det är välkänt att när ett kvantsystem kontinuerligt mäts, det fryser, d.v.s. det slutar förändras, vilket beror på ett fenomen som kallas quantum Zeno -effekten. Detta leder till frågan:vad kan hända när Maxwells demon går in i kvant Zeno -regimen? Kommer demonens kontinuerliga mätningar att göra att kvantsystemet fryser och förhindrar arbetsextraktion, eller kommer demonen fortfarande att kunna påverka systemets dynamik?

I ett papper publicerat i New Journal of Physics , fysikerna Georg Engelhardt och Gernot Schaller vid Tekniska universitetet i Berlin har teoretiskt implementerat Maxwells demon i en en-elektrontransistor för att undersöka demonens handlingar i kvant-Zeno-regimen.

I deras modell, enkel-elektron-transistorn består av två elektronreservoarer kopplade med en kvantpunkt, med en demon som gör kontinuerliga mätningar på systemet. Forskarna visade att som förutsagt av kvante Zeno -effekten, demonens kontinuerliga mätningar blockerar strömmen mellan de två reservoarerna. Som ett resultat, demonen kan inte extrahera arbete.

Dock, forskarna undersökte också vad som händer när demonens mätningar inte är riktigt kontinuerliga. De fann att det finns en optimal mäthastighet vid vilken mätningarna inte får systemet att frysa, men där en kemisk gradient byggs upp mellan de två reservoarerna och arbete kan extraheras.

"Den viktigaste betydelsen av våra resultat är att det är nödvändigt att undersöka den övergående korttidsdynamiken hos termoelektriska enheter, för att hitta optimal prestanda, "Berättade Engelhardt Phys.org . "Detta kan vara viktigt för att förbättra nanoskala tekniska enheter."

Fysikerna förklarar att denna mellanregim ligger mellan kvantregimen där äkta kvanteffekter uppstår och den klassiska regimen. Det som är särskilt attraktivt med denna regim är att, på grund av demonens mätningar, systemets totala energi minskar så att ingen extern energi behöver investeras för att få demonen att fungera.

"På grund av den tillämpade icke-markoviska metoden, vi har kunnat hitta ett arbetssätt för demonen, vid vilken-förutom uppbyggnaden av den kemiska gradienten-det också vinner arbete på grund av mätningen, "Förklarade Engelhardt.

Går framåt, det kan vara möjligt att extrahera arbete från den kemiska gradienten och använda den, till exempel, att ladda ett batteri. Forskarna planerar att ta itu med denna möjlighet och andra i framtiden.

"I vår framtida forskning, vi strävar efter att undersöka potentiella applikationer, "Sa Engelhardt." Feedbackprocesser är viktiga, till exempel, i många biologiska processer. Vi hoppas kunna identifiera och analysera kvanttransportprocesser ur en feedback -synvinkel.

"Vidare, vi är intresserade av feedbackkontroll av topologiska bandstrukturer. Eftersom topologiska effekter starkt förlitar sig på sammanhängande dynamik, mätningar verkar vara ett hinder för återkopplingskontroll. Dock, för en lämplig svag mätning, som bara delvis förstör det sammanhängande kvanttillståndet, en feedback -manipulation kan vara rimlig. "

© 2018 Phys.org