El motor de la informació funciona amb una eficiència gairebé perfecta

Els físics han demostrat experimentalment un motor d'informació, un dispositiu que converteix la informació en treball, amb una eficiència que supera la segona llei convencional de la termodinàmica. En canvi, l'eficiència del motor està limitada per una segona llei generalitzada de termodinàmica proposada recentment, i és el primer motor d'informació que s'aproxima a aquest nou límit.

Els resultats demostren tant la viabilitat de realitzar un motor d'informació sense pèrdues, com l'han anomenat perquè pràcticament cap de la informació disponible es perd, sinó que es converteix pràcticament en el treball que també valida experimentalment la nitidesa del conjunt fixat per la segona Llei generalitzada.
Els físics, Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty i Hyuk Kyu Pak de l'Institut de Ciències Bàsiques d'Ulsan, Corea del Sud (Tlusty i Pak de l'Institut Nacional de Ciència i Tecnologia de Ulsan), han publicat un document sobre el motor d'informació sense pèrdues en un número recent de Physical Review Letters.
Els motors han impulsat el progrés de la termodinàmica i la mecànica estadística des que Carnot va establir un límit en l'eficiència dels motors tèrmics al 1824.

Tradicionalment, la màxima eficiència amb la qual un motor pot convertir l'energia en treball està limitada per la segona llei de la termodinàmica. En l'última dècada, però, els experiments han demostrat que l'eficiència d'un motor pot superar la segona llei si el motor pot obtenir informació del seu entorn, ja que pot convertir aquesta informació en funcionament. Aquests motors d'informació (o dimonis de Maxwell, nomenats després de la primera concepció d'aquest dispositiu) són possibles gràcies a una connexió fonamental entre la informació i la termodinàmica que els científics encara intenten comprendre.
Naturalment, les recents demostracions experimentals de motors d'informació han plantejat la qüestió de si hi ha un límit superior sobre l'eficiència amb què un motor d'informació pot convertir la informació en treball. Per abordar aquesta qüestió, els investigadors han obtingut recentment una segona llei generalitzada de termodinàmica, que explica que tant l'energia com la informació es converteixin en treballs. Tanmateix, cap motor d'informació experimental s'ha apropat als límits previstos, fins ara.

La segona llei generalitzada de la termodinàmica estableix que el treball extret d'un motor d'informació està limitat per la suma de dos components: la primera és la diferència d'energia lliure entre els estats finals i els inicials (aquest és l'únic límit que s'estableix en els motors convencionals per mitjà de la segona llei) i l'altra és la quantitat d'informació disponible (aquesta part estableix un límit màxim sobre el treball extra que es pot extreure de la informació).
Per aconseguir la màxima eficiència establerta per la segona llei generalitzada, els investigadors del nou estudi van dissenyar i implementar un motor d'informació fet d'una partícula atrapada per la llum a temperatura ambient. Les fluctuacions tòpiques aleatòries fan que la minúscula partícula es mogui lleugerament a causa del moviment brownià i un fotodiòdi rastreja la posició canviant de la partícula amb una precisió espacial d'1 nanòmetre. Si la partícula es mou més d'una certa distància del seu punt de partida en certa direcció, la trampa es desplaça ràpidament cap a la partícula. Aquest procés es repeteix, de manera que amb el temps el motor transporta la partícula en una direcció desitjada, de manera que simplement extreu el treball a partir de la informació que obté de les fluctuacions tèrmiques aleatòries del sistema.

Una de les característiques més importants d'aquest sistema és la seva resposta de reacció gairebé instantània: la trampa es desplaça en només una fracció de milisegons, no donant-li a la partícula temps per avançar i dissipar energia. Com a resultat, gairebé l'energia guanyada pel canvi no es perd per la calor, sinó que gairebé tot es converteix en treball. Per evitar pràcticament qualsevol pèrdua d'informació, la conversió de la informació a energia d'aquest procés aconsegueix aproximadament el 98,5% del límit establert per la segona llei generalitzada. Els resultats donen suport a aquest límit i il·lustren la possibilitat d'extreure la màxima quantitat de treball possible a partir de la informació.
A més de les seves implicacions fonamentals, els resultats també poden conduir a aplicacions pràctiques, que els investigadors pretenen investigar en el futur.

Font: Physical Review Letters