Предложен новый способ создания демона Максвелла

Демон Максвелла формально кажется простейшим существом. Если в ёмкости с газом в непроницаемой перегородке, делящей внутренний объём надвое, сделать отверстие с избирательным «привратником», пропускающим налево только горячие молекулы (то есть быстрые, с большой энергией), а направо — только холодные (медленные), то такой привратник и будет демоном. Итоги его деятельности даже демонизировать не придётся: он нарушит второй закон термодинамики, и энтропия в ёмкости со временем будет падать без дополнительных энергозатрат.

Для физики такое существо стало бы проблемой из проблем — если бы, конечно, его деятельность не сопровождалась дополнительными энергетическими издержками.

Вот в такой минималистской интерпретации две квантовые точки вместе могут симулировать деятельность демона Максвелла. (Иллюстрация Philipp Strasberg, et al.)

Пока ни одна попытка создания демона Максвелла не имела успеха: снижая энтропию в ёмкости, все доселе имевшиеся его варианты увеличивали её где-то ещё.

Группа учёных под руководством Филиппа Страсберга (Philipp Strasberg) из Берлинского технического университета (ФРГ) предложила реализовать минималистскую версию известного эксперимента — не с отбором молекул газа, а с получением информации на основе их движения при помощи двух взаимодействующих квантовых точек. Речь идёт о сверхмалых фрагментах проводника (или полупроводника), электрические свойства которого обусловлены его размером и формой, причём чем меньше размер такого кристалла, тем больше разрыв между его энергетическими уровнями.

Учёные предлагают разместить одну квантовую точку между двумя резервуарами, где она будет играть роль одноэлектронного транзистора. Вторая точка будет присоединена к иному (третьему) резервуару; при этом она может быть настроена на восприятие состояния первой (транзистора). В состоянии 1 (транзистор задействован) вторая точка опустошается, и наоборот. Если детектор будет работать бесконечно быстро и даст предельно точную обратную связь между обеими квантовыми точками, система будет получать дополнительную информацию, в то время как энтропия должна возрастать. И хотя для работы квантовых точек потребуется ввод энергии в систему (в умственном эксперименте Максвелла имелось в виду, что ввода энергии не будет), такой приток чрезвычайно мал на фоне падения энтропии в экспериментальной системе.

Как отмечают авторы идеи, вся система является, по сути, термоэлектрическим устройством, где тепловой градиент используется для выработки электрического тока. Разумеется, при рассмотрении эксперимента в целом становится очевидно, что деятельность демона требует энергозатрат и, следовательно, не позволяет говорить о полной реализации задумки Максвелла. Однако без учёта этих ничтожных энерговливаний остальная часть эксперимента действительно выглядит нарушением второго закона термодинамики при соблюдении первого.

Учёные надеются в ближайшие годы реализовать такой опыт на практике.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Phys.Org.