Физики смоделировали систему двух квантовых точек с одноэлектронными переходами для теоретической оценки термодинамических характеристик демона Максвелла с учетом информации и возвратного действия измерений. Они продемонстрировали возможность преобразования тепла в работу за счет информации и получили кривые зависимостей тепла и мощности от запирающего напряжения и степени туннелирования.

Статья опубликована в журнале Physical Review B.

Максвелл поставил свой знаменитый мысленный эксперимент с участием демона Максвелла в 1867 году. Сформулировал он его так: герметичный сосуд, заполненный молекулами, разделен перегородкой с дверцей. Этой дверцей управляет демон — он измеряет скорости молекул и избирательно пропускает в один отсек быстрые молекулы, а в другой — медленные, что в конечном итоге разделит все молекулы сосуда на две части относительно средней скорости изначального газа. В разных отсеках после разделения частиц будут разные средние скорости. Температура напрямую зависит от средней скорости частиц, а значит демон создаст разницу температур между двумя частями сосуда. Демон своими действиями упорядочил молекулы, и тем самым уменьшил энтропию системы, что на первый взгляд противоречит второму закону термодинамики.

Схематическое изображение классического мысленного эксперимента / wikimedia commons

С развитием теории информации ученые предложили новый подход к решению этого парадокса: демон собирает и запоминает информацию о скорости движения каждой частицы, но когда память переполняется, демон удаляет всю информацию, что увеличивает энтропию системы в целом. Таким образом, второй закон термодинамики должен учитывать наличие информации в этой системе.

Согласно принципу Ландауэра на один бит информации при комнатной температуре выделяется как минимум 2.87*10^-21 джоуля, и хотя эта величина невелика, при количестве частиц порядка 10²³ она уже вносит ощутимый вклад в энтропию системы.

На сегодняшний момент система с демоном Максвелла много раз моделировалась в лабораторных условиях, ученые использовали такие системы, как броуновские частицы, молекулярные машины, фотонные и электронные системы, ультрахолодные атомы и даже молекулы ДНК. Для исследования термодинамики информации интересной кажется система квантовых точек, в которой измеряется заряд одного электрона, потому что электроны напоминают частицы газа в оригинальном мысленном эксперименте. Одноэлектронные транзисторы и квантовые точечные контакты — распространенные детекторы заряда — связаны с электрической схемой, и если ток через детектор чувствителен к близлежащим зарядам, то отдельные туннелирующие явления электронов могут быть замечены сразу же. Ученые уже осуществляли некоторые экспериментальные реализации такой системы в качестве двигателя Сциларда — прикладного аналога демона Максвелла.

Бьёрн Аннби-Андрессон (Björn Annby-Andersson) со своими коллегами из университета Лунда теоретически смоделировал проявление демона Максвелла в системе двух квантовых точек с одним электроном и продемонстрировал, как конвертировать тепло в работу с помощью информации. В модели они реализовали непрерывное измерение зарядов квантовых точек и продвижение электрона против приложенного напряжения по возвратной схеме.