Forskare vid universiteten i Wien och Stuttgart har undersökt en version av Maxwells demon som förkroppsligas av en fördröjd återkopplingskraft som verkar på en leviterad mikropartikel. De bekräftade nya grundläggande gränser som tidsfördröjning sätter på demonens handlingar som inte omfattas av termodynamikens standardlagar. Teamet av forskare publicerade sin nya studie i tidskriften Naturkommunikation .

En Maxwells demon är en hypotetisk intelligent varelse som kan upptäcka och reagera på enskilda molekylers rörelser. I sitt tankeexperiment, James Clerk Maxwell föreställde sig en demon som styr en liten dörr som förbinder två kammare av gasmolekyler. Genom att bara släppa igenom de snabba heta molekylerna i en kammare, demonen separerar kyla från heta molekyler och minskar därför störningen, entropi, av systemet i uppenbar motsägelse med termodynamikens andra lag.

Nu för tiden, tankeexperimentet av Maxwells demon kan förverkligas genom att t.ex. en mikropartikel utsatt för återkopplingskontroll. Detta innebär att positionen för en partikel mäts, informationen lagras och används för att utvinna energi från mikropartikeln genom att applicera en lämplig återkopplingskraft. I tidigare studier, dock, reaktionstiden för demonen hade aldrig beaktats. Detta har en inverkan på demonens prestanda och bör beaktas i realistiska scenarier.

Bygger på en nyligen genomförd teoretisk studie av M.L. Rosinberg och T. Munakata, ett internationellt samarbete mellan forskare vid universitetet i Wien (Österrike) och vid universitetet i Stuttgart (Tyskland) har nu undersökt effekten av tidsfördröjning i en termodynamisk syn på Maxwells demon. Forskarna använde en mikropartikel som svävades optiskt av laserljus. Partikeln svänger i en optisk pincett i vakuum medan den utsätts för slumpmässiga kollisioner med den omgivande gasen, kallas Brownsk rörelse. Demonen som realiseras av en elektronisk krets förvärvar information om mikropartikeln genom att spåra dess position, och gäller, efter en viss fördröjning, en motsvarande återkopplingskraft på mikropartikeln med användning av en andra laser. Från deras experiment, forskarna kunde bestämma termodynamiska storheter som utbytt värme och entropiflöde. Deras resultat bekräftar framgångsrikt den nya versionen av den andra lagen inklusive tidsfördröjning. "Vi har använt en termodynamisk metod för att förstå rollen av tidsfördröjningar i realistiska återkopplingsslingor. Här, leviterade mikropartiklar är en idealisk testbädd som erbjuder utmärkt kontroll över partikeldynamiken", säger Maxime Debiossac, huvudförfattare till studien.

Som en konsekvens av den nya studien, entropiflödet sätter nya gränser för den utvunna energin, eller med andra ord, om hur effektivt en demon kan arbeta. Förutom att kvantifiera denna effektivitet, forskarna observerade att under mycket långa förseningar orsakar demonen någon slumpmässig rörelse av partikeln som skiljer sig från den vanliga Brownska rörelsen. "Våra resultat indikerar termodynamiska gränser som också kommer att påverka de experiment som är beroende av feedback för att få in mekaniska system i kvantregimen", säger Nikolai Kiesel, chef för teamet från universitetet i Wien, "vi är nu väldigt nyfikna på vilka konsekvenser vår forskning kommer att få för den regimen."