Los físicos han demostrado experimentalmente un motor de información, un dispositivo que convierte la información en trabajo, con una eficiencia que supera la segunda ley convencional de la termodinámica. En lugar de, La eficiencia del motor está limitada por una segunda ley de la termodinámica generalizada recientemente propuesta, y es el primer motor de información que se acerca a este nuevo límite.

Los resultados demuestran tanto la viabilidad de realizar un motor de información "sin pérdidas", llamado así porque prácticamente no se pierde ninguna de la información disponible, sino que se convierte casi por completo en trabajo, y también valida experimentalmente la nitidez del límite establecido por el segundo generalizado. ley.

Los físicos Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, y Hyuk Kyu Pak en el Instituto de Ciencias Básicas en Ulsan, Corea del Sur (Tlusty y Pak también están en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan), han publicado un artículo sobre el motor de información sin pérdidas en un número reciente de Cartas de revisión física .

"Pensar en los motores ha impulsado el progreso de la termodinámica y la mecánica estadística desde que Carnot estableció un límite a la eficiencia de los motores térmicos en 1824, "Pak dijo Phys.org . "Agregar procesamiento de información en forma de 'demonios' estableció nuevas limitaciones, y era fundamental verificar los nuevos límites en el experimento ".

Tradicionalmente, la máxima eficiencia con la que un motor puede convertir energía en trabajo está limitada por la segunda ley de la termodinámica. En la última decada, sin embargo, Los experimentos han demostrado que la eficiencia de un motor puede superar la segunda ley si el motor puede obtener información de su entorno. ya que luego puede convertir esa información en trabajo. Estos motores de información (o "los demonios de Maxwell, "nombrados después de la primera concepción de un dispositivo de este tipo) son posibles gracias a una conexión fundamental entre la información y la termodinámica que los científicos todavía están tratando de comprender por completo.

Naturalmente, Las recientes demostraciones experimentales de motores de información han planteado la cuestión de si existe un límite superior en la eficiencia con la que un motor de información puede convertir la información en trabajo. Para abordar esta pregunta, Los investigadores han derivado recientemente una segunda ley generalizada de la termodinámica, lo que explica que tanto la energía como la información se conviertan en trabajo. Sin embargo, ningún motor de información experimental se ha acercado a los límites previstos, hasta ahora.

La segunda ley generalizada de la termodinámica establece que el trabajo extraído de un motor de información está limitado por la suma de dos componentes:el primero es la diferencia de energía libre entre los estados final e inicial (este es el único límite impuesto a los motores convencionales por los convencionales). segunda ley), y la otra es la cantidad de información disponible (esta parte establece un límite superior al trabajo adicional que se puede extraer de la información).

Para lograr la máxima eficiencia establecida por la segunda ley generalizada, Los investigadores del nuevo estudio diseñaron e implementaron un motor de información hecho de una partícula atrapada por la luz a temperatura ambiente. Las fluctuaciones térmicas aleatorias hacen que la pequeña partícula se mueva ligeramente debido al movimiento browniano, y un fotodiodo rastrea la posición cambiante de la partícula con una precisión espacial de 1 nanómetro. Si la partícula se aleja más de una cierta distancia de su punto de partida en una cierta dirección, la trampa de luz se desplaza rápidamente en la dirección de la partícula. Este proceso se repite, de modo que con el tiempo el motor transporta la partícula en la dirección deseada simplemente extrayendo trabajo de la información que obtiene de las fluctuaciones térmicas aleatorias del sistema (el componente de energía libre aquí es cero, por lo que no contribuye al trabajo extraído).

Una de las características más importantes de este sistema es su respuesta de retroalimentación casi instantánea:la trampa se mueve en solo una fracción de milisegundo, sin darle tiempo a la partícula para moverse más y disipar energía. Como resultado, casi nada de la energía ganada por el cambio se pierde en calor, sino que casi todo se convierte en obra. Evitando prácticamente cualquier pérdida de información, la conversión de información en energía de este proceso alcanza aproximadamente el 98,5% del límite establecido por la segunda ley generalizada. Los resultados apoyan este límite, e ilustrar la posibilidad de extraer la mayor cantidad de trabajo posible de la información.

Además de sus implicaciones fundamentales, los resultados también pueden conducir a aplicaciones prácticas, que los investigadores planean investigar en el futuro.

"Tanto la nanotecnología como los sistemas vivos operan a escalas en las que la interacción entre el ruido térmico y el procesamiento de la información es significativa, ", Dijo Pak." Uno puede pensar en sistemas de ingeniería donde la información se utiliza para controlar los procesos moleculares y conducirlos en la dirección correcta. Una posibilidad es crear híbridos de sistemas biológicos y sistemas de ingeniería, incluso en la célula viva ".

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