O.S.E.L. - Fyzici si postavili fotonického Maxwellova démona
 Fyzici si postavili fotonického Maxwellova démona
Přesněji řečeno jeho čistě experimentální fotonickou variantu. Je to jen hračka, jednoho dne by podobní Maxwellovi démoni mohli přinést zajímavé démonické aplikace.

 

Maxwellův démon. Kredit: Project Infernos / Universitat de Barcelona.
Maxwellův démon. Kredit: Project Infernos / Universitat de Barcelona.

 

Maxwellův démon je hypotetická potvora, kterou si v roce 1867 vymyslel James Clerk Maxwell, když dával dohromady nauku o teple a kinetickou teorii látek. Maxwell se svým démonem zabodoval a od té doby ho fyzici důkladně studují. Tenhle démon je prostě populární. Většinou jde ale o čistě teoretický výzkum, v experimentech se Maxwellův démon objevil jen velice vzácně.

 

Mihai Dorian Vidrighin. Kredit: Imperial College London.
Mihai Dorian Vidrighin. Kredit: Imperial College London.


Původní myšlenkový experiment zahrnuje dvě nádoby se stejným plynem o stejné teplotě. Nádoby jsou spojené dvířky, u nichž sedí rarach, tedy Maxwellův démon osobně. Molekuly plynu v nádobách mají náhodnou rychlost a Maxwellův démon jejich rychlosti pozná. Rychlé molekuly propouští dveřmi jedním směrem a pomalé zase směrem opačným. Za nějakou dobu démon v jedné nádobě nashromáždí rychlé molekuly plynu a ve druhé ty pomalé. Tím by měl vzniknout rozdíl teplot mezi nádobami, který by bylo možné využít k práci. Na první pohled to vypadá jako perpetuum mobile (druhého druhu), zdání ale klame. Démoni ve světě fyziky nefungují, a kdyby raracha nahradil nějaký stroj, tak by musel získávat informaci o rychlosti molekul, což spotřebovává energii. V reálném experimentu by sice mezi nádobami vznikl tepelný gradient, celkové ztráty energie by ale byly vyšší, než zisky z tepelného gradientu. Termodynamika nezná slitování.

 

 

Fotonický Maxwellův démon. Kredit: Vidrighin, et al. (2016). American Physical Society
Fotonický Maxwellův démon. Kredit: Vidrighin, et al. (2016). American Physical Society

Mihai Dorian Vidrighin z Oxfordu a jeho kolegové se rozhodli, že si postaví úplně první fotonickou verzi Maxwellova démona. V této verzi badatelé nahradili nádoby s plynem dvěma světelnými pulzy a neúnavného raracha zase zařízením s detektorem záření a dopřednou vazbou (feed-forward operation), které dovede nasměrovat jasnější paprsek s více fotony na jednu stranu a méně jasný paprsek s méně fotony na druhou. Na každé straně paprsek dopadne na velmi citlivou lavinovou fotodiodu (APD), která vytvoří elektrický proud. Elektrický proud z  fotodiod putuje ze dvou stran do kondenzátoru. Když z obou stran přijdou stejné pulzy energie, tak se navzájem vyruší. Pokud se ale jejich energie liší, tak dojde k nabíjení kondenzátoru.

 

 

Lavinová fotodioda. Kredit: Radovan Blažek / Wikimedia Commons.
Lavinová fotodioda. Kredit: Radovan Blažek / Wikimedia Commons.

Vidrighin a spol. to chtěli zatím jenom zkusit a nesnažili se experiment vyladit na to, aby těžil práci a poskytoval hmatatelný užitek. Je prý ale možné, že podobní Maxwellovi démoni jednou povedou k praktickým aplikacím. Vidrighinův kolega z týmu Oscar Dahlsten navrhuje, že by takové démonické aplikace mohly například snížit náklady na provoz chladících systémů. V dnešní honbě za úsporami energie to jistě zaujme nejeden výzkumný tým.

 


Vidrighin s kolegy doufají, že fotoničtí Maxwellovi démoni přispějí k lepšímu pochopení spojení mezi informací a termodynamikou, které je zásadní pro objasnění termodynamiky v nanoměřítku, na úrovni molekul a částic. V současné době jsme svědky bouřlivého rozvoje nanotechnologií, a právě provoz rozmanitých nanostrojků a nanočástic se musí vyrovnat s nanotermodynamikou. Podobně se v době rozvoje parních strojů museli parní inženýři devatenáctého století srovnat s makroskopickou termodynamikou.


Je to veliká příležitost, protože nanotermodynamika otevírá dveře k mnoha klíčovým technologiím, počínaje energetickými aplikacemi, až po kvantové počítače. Chce to se pořádně zhluboka nadechnout, a směle do toho.

Video:  Maxwell's Demon and the Nature of Information

Video: Oscar Dahlsten - Quantum Information: what is it and what are the open problems


Literatura
Phys.org 12. 2. 2016, Physical Review Letters 116: 050401, Wikipedia (Maxwell's demon).


Autor: Stanislav Mihulka
Datum:13.02.2016