I fisici hanno dimostrato sperimentalmente un motore di informazione, un dispositivo che converte le informazioni in lavoro, con un'efficienza che supera la convenzionale seconda legge della termodinamica. Anziché, l'efficienza del motore è limitata da una seconda legge generalizzata della termodinamica recentemente proposta, ed è il primo motore di informazione ad avvicinarsi a questo nuovo limite.

I risultati dimostrano sia la fattibilità di realizzare un motore di informazione "lossless" - così chiamato perché praticamente nessuna delle informazioni disponibili viene persa ma viene invece quasi interamente convertita in lavoro - e anche validamente sperimentalmente la nitidezza del limite fissato dal secondo generalizzato legge.

I fisici, Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, e Hyuk Kyu Pak presso l'Institute for Basic Science di Ulsan, Corea del Sud (Tlusty e Pak sono anche con l'Ulsan National Institute of Science and Technology), hanno pubblicato un articolo sul motore dell'informazione senza perdita di dati in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

"Pensare ai motori ha guidato il progresso della termodinamica e della meccanica statistica da quando Carnot ha posto un limite all'efficienza dei motori termici nel 1824, "Pak ha detto Phys.org . "L'aggiunta dell'elaborazione delle informazioni sotto forma di 'demoni' ha posto nuove limitazioni, ed era essenziale verificare i nuovi limiti in esperimento."

Tradizionalmente, la massima efficienza con cui un motore può convertire l'energia in lavoro è limitata dalla seconda legge della termodinamica. Nell'ultimo decennio, però, gli esperimenti hanno dimostrato che l'efficienza di un motore può superare la seconda legge se il motore può ottenere informazioni dall'ambiente circostante, poiché può quindi convertire tali informazioni in lavoro. Questi motori di informazione (o "demoni di Maxwell, " che prende il nome dalla prima concezione di un tale dispositivo) sono rese possibili grazie a una connessione fondamentale tra informazione e termodinamica che gli scienziati stanno ancora cercando di comprendere appieno.

Naturalmente, le recenti dimostrazioni sperimentali dei motori informativi hanno sollevato la questione se esista un limite superiore all'efficienza con cui un motore informatico può convertire le informazioni in lavoro. Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno recentemente derivato una seconda legge generalizzata della termodinamica, che spiega sia l'energia che le informazioni convertite in lavoro. Però, nessun motore di informazione sperimentale si è avvicinato ai limiti previsti, fino ad ora.

La seconda legge generalizzata della termodinamica afferma che il lavoro estratto da un motore di informazione è limitato dalla somma di due componenti:la prima è la differenza di energia libera tra lo stato finale e quello iniziale (questo è l'unico limite posto ai motori convenzionali dal convenzionale seconda legge), e l'altro è la quantità di informazioni disponibili (questa parte stabilisce un limite superiore al lavoro extra che può essere estratto dalle informazioni).

Per ottenere la massima efficienza fissata dalla seconda legge generalizzata, i ricercatori del nuovo studio hanno progettato e implementato un motore di informazioni costituito da una particella intrappolata dalla luce a temperatura ambiente. Le fluttuazioni termiche casuali fanno sì che la minuscola particella si muova leggermente a causa del moto browniano, e un fotodiodo segue il cambiamento di posizione della particella con una precisione spaziale di 1 nanometro. Se la particella si sposta per più di una certa distanza dal suo punto di partenza in una certa direzione, la trappola luminosa si sposta rapidamente nella direzione della particella. Questo processo si ripete, in modo che nel tempo il motore trasporti la particella nella direzione desiderata semplicemente estraendo lavoro dalle informazioni che ottiene dalle fluttuazioni termiche casuali del sistema (la componente di energia libera qui è zero, quindi non contribuisce al lavoro estratto).

Una delle caratteristiche più importanti di questo sistema è la sua risposta di feedback quasi istantanea:la trappola si sposta in appena una frazione di millisecondo, dando alla particella il tempo di muoversi ulteriormente e dissipare energia. Di conseguenza, quasi nessuna dell'energia guadagnata dallo spostamento viene dispersa in calore, ma piuttosto quasi tutto si converte in lavoro. Evitando praticamente qualsiasi perdita di informazioni, la conversione da informazione ad energia di questo processo raggiunge circa il 98,5% del limite fissato dalla seconda legge generalizzata. I risultati supportano questo limite, e illustrare la possibilità di estrarre dalle informazioni la massima quantità di lavoro possibile.

Oltre alle loro implicazioni fondamentali, i risultati possono portare anche ad applicazioni pratiche, che i ricercatori intendono indagare in futuro.

"Sia le nanotecnologie che i sistemi viventi operano su scale in cui l'interazione tra rumore termico ed elaborazione delle informazioni è significativa, "Pak ha detto. "Si può pensare a sistemi ingegnerizzati in cui le informazioni vengono utilizzate per controllare i processi molecolari e guidarli nella giusta direzione. Una possibilità è creare ibridi di sistemi biologici e ingegnerizzati, anche nella cellula vivente."

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