I ricercatori delle università di Vienna e Stoccarda hanno studiato una versione del demone di Maxwell incarnato da una forza di feedback ritardata che agisce su una microparticella levitata. Hanno confermato nuovi limiti fondamentali che il ritardo temporale impone alle azioni del demone che non sono coperti dalle leggi standard della termodinamica. Il team di scienziati ha pubblicato il suo nuovo studio sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Il demone di Maxwell è un ipotetico essere intelligente in grado di rilevare e reagire ai movimenti delle singole molecole. Nel suo esperimento mentale, James Clerk Maxwell ha immaginato un demone che controlla una piccola porta che collega due camere di molecole di gas. Lasciando passare solo le molecole calde veloci in una camera, il demone separa le molecole fredde da quelle calde diminuendo così il disordine, entropia, del sistema in apparente contraddizione con il secondo principio della termodinamica.

Oggi, l'esperimento mentale del demone di Maxwell può essere realizzato ad es. una microparticella sottoposta a controllo in retroazione. Ciò significa che la posizione di una particella è misurata, l'informazione viene immagazzinata e utilizzata per estrarre energia dalla microparticella applicando un'opportuna forza di retroazione. Negli studi precedenti, però, il tempo di reazione del demone non era mai stato considerato. Questo ha un impatto sulle prestazioni del demone e dovrebbe essere preso in considerazione in scenari realistici.

Basandosi su un recente studio teorico di M.L. Rosinberg e T. Munakata, una collaborazione internazionale di ricercatori dell'Università di Vienna (Austria) e dell'Università di Stoccarda (Germania) ha ora studiato l'effetto del ritardo temporale in un approccio termodinamico al demone di Maxwell. Gli scienziati hanno utilizzato una microparticella che è stata fatta levitare otticamente dalla luce laser. La particella oscilla in una pinzetta ottica nel vuoto mentre è esposta a collisioni casuali con il gas circostante, detto moto browniano. Il demone realizzato da un circuito elettronico acquisisce informazioni sulla microparticella tracciandone la posizione, e si applica, dopo un certo ritardo, una corrispondente forza di feedback sulla microparticella utilizzando un secondo laser. Dal loro esperimento, gli scienziati sono stati in grado di determinare quantità termodinamiche come il calore scambiato e il flusso di entropia. I loro risultati confermano con successo la nuova versione della seconda legge, incluso il ritardo temporale. "Abbiamo utilizzato un approccio termodinamico per comprendere il ruolo dei ritardi temporali nei circuiti di feedback realistici. Qui, le microparticelle levitate sono un banco di prova ideale che offre un eccellente controllo sulla dinamica delle particelle", afferma Maxime Debiossac, autore principale dello studio.

Come conseguenza del nuovo studio, il flusso di entropia pone nuovi limiti all'energia estratta, o in altre parole, sull'efficienza con cui un demone può lavorare. Oltre a quantificare questa efficienza, gli scienziati hanno osservato che per lunghissimi ritardi il demone provoca un moto casuale della particella che è diverso dal normale moto browniano. "I nostri risultati indicano limiti termodinamici che influenzeranno anche quegli esperimenti che si basano sul feedback per portare i sistemi meccanici nel regime quantistico", afferma Nikolai Kiesel, capo del gruppo dell'Università di Vienna, "siamo ora molto curiosi delle conseguenze che la nostra ricerca avrà per quel regime".