Nell'esperimento mentale del demone di Maxwell originale, un demone effettua misurazioni continue su un sistema di serbatoi caldi e freddi, costruendo un gradiente termico che può essere successivamente utilizzato per eseguire lavori. Poiché le misurazioni del demone non consumano energia, sembra che il demone violi la seconda legge della termodinamica, sebbene questo paradosso possa essere risolto considerando che il demone usa le informazioni per svolgere i suoi compiti di smistamento.

È risaputo che quando un sistema quantistico viene continuamente misurato, si congela, cioè., smette di cambiare, che è dovuto a un fenomeno chiamato effetto Zeno quantistico. Questo porta alla domanda:cosa potrebbe accadere quando il demone di Maxwell entra nel regime quantistico di Zenone? Le continue misurazioni del demone causeranno il congelamento del sistema quantistico e impediranno l'estrazione del lavoro, o il demone sarà ancora in grado di influenzare le dinamiche del sistema?

In un articolo pubblicato su Nuovo Giornale di Fisica , i fisici Georg Engelhardt e Gernot Schaller dell'Università tecnica di Berlino hanno teoricamente implementato il demone di Maxwell in un transistor a singolo elettrone per studiare le azioni del demone nel regime quantistico di Zeno.

Nel loro modello, il transistor a elettrone singolo è costituito da due serbatoi di elettroni accoppiati da un punto quantico, con un demone che effettua misurazioni continue sul sistema. I ricercatori hanno dimostrato che, come previsto dall'effetto Zeno quantistico, le continue misurazioni del demone bloccano il flusso di corrente tra i due serbatoi. Di conseguenza, il demone non può estrarre lavoro.

Però, i ricercatori hanno anche studiato cosa succede quando le misurazioni del demone non sono del tutto continue. Hanno scoperto che esiste una velocità di misurazione ottimale alla quale le misurazioni non causano il congelamento del sistema, ma dove si forma un gradiente chimico tra i due serbatoi e si può estrarre il lavoro.

"Il significato chiave dei nostri risultati è che è necessario studiare la dinamica transitoria a breve termine dei dispositivi termoelettrici, per trovare la prestazione ottimale, " disse Engelhardt Phys.org . "Questo potrebbe essere importante per migliorare i dispositivi tecnologici su scala nanometrica".

I fisici spiegano che questo regime intermedio si trova tra il regime quantistico in cui si verificano effetti quantistici autentici e il regime classico. La cosa particolarmente interessante di questo regime è che, a causa delle misure del demone, l'energia totale del sistema diminuisce in modo che non sia necessario investire energia esterna per far funzionare il demone.

"A causa del metodo non markoviano applicato, siamo stati in grado di trovare una modalità di lavoro del demone, in cui, oltre all'accumulo del gradiente chimico, guadagna anche lavoro a causa della misurazione, " ha spiegato Engelhardt.

Andando avanti, potrebbe essere possibile estrarre lavoro dal gradiente chimico e utilizzarlo, Per esempio, per caricare una batteria. I ricercatori intendono affrontare questa possibilità e altre in futuro.

"Nella nostra ricerca futura, miriamo a studiare potenziali applicazioni, " Engelhardt ha detto. "I processi di feedback sono importanti, Per esempio, in molti processi biologici. Speriamo di identificare e analizzare i processi di trasporto quantistico da un punto di vista del feedback.

"Per di più, siamo interessati al controllo in retroazione di strutture topologiche a bande. Poiché gli effetti topologici dipendono fortemente da dinamiche coerenti, le misurazioni sembrano essere un ostacolo per il controllo del feedback. Però, per un'adeguata misurazione debole, che distrugge solo in parte lo stato quantistico coerente, una manipolazione del feedback potrebbe essere ragionevole."

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