Investigadores de las universidades de Viena y Stuttgart han investigado una versión del demonio de Maxwell encarnado por una fuerza de retroalimentación retardada que actúa sobre una micropartícula levitada. Confirmaron nuevos límites fundamentales que el retraso temporal impone a las acciones del demonio que no están cubiertos por las leyes estándar de la termodinámica. El equipo de científicos publicó su nuevo estudio en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Un demonio de Maxwell es un ser inteligente hipotético capaz de detectar y reaccionar a los movimientos de moléculas individuales. En su experimento mental, James Clerk Maxwell imaginó un demonio que controla una pequeña puerta que conecta dos cámaras de moléculas de gas. Al dejar pasar solo las moléculas calientes rápidas en una cámara, el demonio separa las moléculas frías de las calientes, disminuyendo así el desorden, entropía del sistema en aparente contradicción con la segunda ley de la termodinámica.

Hoy en día, el experimento mental del demonio de Maxwell se puede realizar p. ej. una micropartícula sometida a control de retroalimentación. Esto significa que se mide la posición de una partícula, la información se almacena y se utiliza para extraer energía de la micropartícula aplicando una fuerza de retroalimentación adecuada. En estudios anteriores, sin embargo, el tiempo de reacción del demonio nunca había sido considerado. Esto tiene un impacto en el desempeño del demonio y debe tenerse en cuenta en escenarios realistas.

Sobre la base de un estudio teórico reciente de M.L. Rosinberg y T. Munakata, una colaboración internacional de investigadores de la Universidad de Viena (Austria) y de la Universidad de Stuttgart (Alemania) han investigado ahora el efecto del retraso en un enfoque termodinámico del demonio de Maxwell. Los científicos utilizaron una micropartícula que fue levitada ópticamente por luz láser. La partícula oscila en una pinza óptica en el vacío mientras se expone a colisiones aleatorias con el gas circundante. llamado movimiento browniano. El demonio realizado por un circuito electrónico adquiere información sobre la micropartícula rastreando su posición, y aplica, después de un cierto retraso, una fuerza de retroalimentación correspondiente sobre la micropartícula usando un segundo láser. De su experimento, los científicos pudieron determinar cantidades termodinámicas como el calor intercambiado y el flujo de entropía. Sus resultados confirman con éxito la versión novedosa de la segunda ley, incluida la demora. "Hemos utilizado un enfoque termodinámico para comprender el papel de los retrasos en los ciclos de retroalimentación realistas. Aquí, las micropartículas levitadas son un banco de pruebas ideal que ofrece un excelente control sobre la dinámica de las partículas ", dice Maxime Debiossac, autor principal del estudio.

Como consecuencia del nuevo estudio, el flujo de entropía pone nuevos límites a la energía extraída, o en otras palabras, sobre qué tan eficientemente puede trabajar un demonio. Además de cuantificar esta eficiencia, los científicos observaron que, durante retrasos muy prolongados, el demonio provoca algún movimiento aleatorio de la partícula que es diferente del movimiento browniano habitual. "Nuestros resultados indican límites termodinámicos que también afectarán aquellos experimentos que se basan en la retroalimentación para llevar los sistemas mecánicos al régimen cuántico", dice Nikolai Kiesel, jefe del equipo de la Universidad de Viena, "Ahora sentimos mucha curiosidad por las consecuencias que nuestra investigación tendrá para ese régimen".