Credito:Proesmans, Ehrich &Bechhoefer
La teoria della termodinamica stocastica è un quadro che delinea la quantità di calore, dinamica ed entropia in piccole (cioè, mesoscopici) che sono lontani da uno stato di equilibrio termodinamico. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno cercato di utilizzare questa teoria per comprendere meglio le dinamiche alla base di una varietà di sistemi, comprese le particelle colloidali, DNA, RNA, enzimi, motori molecolari e dispositivi elettronici.
In un articolo recentemente pubblicato su Lettere di revisione fisica , i ricercatori della Simon Fraser University hanno combinato la termodinamica stocastica con un altro costrutto noto come teoria del trasporto ottimale, con l'obiettivo di svelare il costo termodinamico associato alla cancellazione di un singolo bit di informazione da un dispositivo in un determinato lasso di tempo. La teoria del trasporto ottimale è una struttura introdotta verso la fine del XVIII secolo che risponde a domande come:"Se si deve spostare la terra dal mucchio A al mucchio B, come dovrebbe essere trasportato per ridurre al minimo lo sforzo richiesto per trasportarlo da un luogo all'altro?"
Circa un decennio fa, il fisico teorico Erik Aurell e altri ricercatori si sono resi conto che la teoria del trasporto ottimale potrebbe essere utilizzata anche per risolvere una serie di problemi di ottimizzazione radicati nel campo della termodinamica. Nel loro recente studio, il team di ricercatori della Simon Fraser University ha eseguito calcoli basati su una tecnica introdotta da Aurell e dai suoi colleghi.
"Il nostro articolo si basa sul quadro generale della termodinamica stocastica, " Karel Proesmans, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Combinando questa teoria con le idee della teoria del trasporto ottimale, è possibile calcolare il costo termodinamico minimo di un processo di non equilibrio. Abbiamo usato queste idee per generalizzare il principio di Landauer ai processi a tempo finito".
Il principio di Landauer, il principio primario che delinea la termodinamica dell'elaborazione delle informazioni, imposta un limite teorico inferiore per l'energia consumata da un dispositivo durante l'esecuzione di un dato calcolo. Fornisce quindi anche un valore specifico che rappresenta il costo termodinamico minimo di cancellazione delle informazioni da un dispositivo (cioè, kT ln2 per bit, dove k è la costante di Boltzmann e T è la temperatura dell'ambiente circostante).
Questo costo minimo, però, in genere si ottiene solo per operazioni eseguite molto lentamente. Nel loro studio, d'altra parte, Proesmans e i suoi colleghi hanno cercato di identificare il modo più efficiente possibile per cancellare rapidamente un bit da un dispositivo entro un determinato periodo di tempo.
"Abbiamo derivato protocolli che riducono al minimo il lavoro necessario per cancellare un po' di informazioni in un determinato periodo di tempo, supponendo di avere il controllo completo sulle forze applicate che influenzano la particella, " Disse Proesmans. "Così facendo, abbiamo anche ricavato un semplice limite inferiore sulla quantità di lavoro necessaria per cancellare un po'."
Il recente studio condotto da Proesmans e dai suoi colleghi ha portato a due importanti scoperte. Primo, i ricercatori sono stati in grado di calcolare i limiti inferiore e superiore della quantità minima di lavoro necessaria per cancellare un bit da un dispositivo. Nel futuro, questi limiti potrebbero servire come riferimento per valutare le prestazioni di dispositivi all'avanguardia e piattaforme sperimentali. Inoltre, la struttura proposta dai ricercatori potrebbe essere utilizzata per costruire protocolli ottimali per la cancellazione di bit dai dispositivi elettronici.
"Finora, ci siamo concentrati su calcoli teorici, " Proesmans ha detto. "Il nostro prossimo passo sarà quello di testare il nostro legame su sistemi sperimentali. In particolare, esamineremo configurazioni costituite da particelle colloidali in pinzette ottiche. Un'altra domanda interessante a cui vorremmo rispondere è quanto cambia il nostro legame quando si ha un controllo limitato sul sistema".
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