(Phys.org) —Há alguns anos, físicos mostraram que é possível apagar informações sem usar energia, em contraste com a suposição na época de que o apagamento de informações requer energia. Em vez de, os cientistas mostraram que o custo do apagamento poderia ser pago em termos de uma quantidade física arbitrária, como o momento angular de rotação - sugerindo que a energia térmica não é a única quantidade conservada na termodinâmica.

Investigando mais essa ideia, os físicos Toshio Croucher, Salil Bedkihal, e Joan A. Vaccaro no Center for Quantum Dynamics, Griffith University, Brisbane, Queensland, Austrália, agora descobriram alguns resultados interessantes sobre as pequenas flutuações no custo de rotação do apagamento de informações. O trabalho pode levar ao desenvolvimento de novos tipos de motores térmicos e dispositivos de processamento de informação.

Como os cientistas explicam em um novo artigo publicado em Cartas de revisão física , a possibilidade de que a informação possa ser apagada com custo de energia zero é surpreendente a princípio, devido ao fato de que energia e entropia são tão intimamente relacionadas na termodinâmica. No contexto da informação, apagamento de informação corresponde ao apagamento de entropia (ou uma diminuição na entropia) e, portanto, requer uma quantidade mínima de energia, que é determinado pelo princípio de eliminação de Landauer.

Uma vez que o princípio de eliminação de Landauer é equivalente à segunda lei da termodinâmica, o esquema de eliminação de energia zero usando quantidades conservadas arbitrárias pode ser pensado como uma segunda lei generalizada da termodinâmica. Essa ideia remonta a pelo menos 1957, quando E. T. Jaynes propôs uma alternativa à segunda lei em que a energia térmica é pensada de uma forma mais geral do que o normal, de modo que o calor incorpora outros tipos de quantidades conservadas.

Aplicando esta estrutura ao apagamento de informações, em 2011, Vaccaro e Stephen Barnett mostraram que o custo energético da eliminação de informações pode ser substituído por uma ou mais quantidades conservadas diferentes - especificamente, momento angular de rotação.

Uma diferença importante entre a energia térmica e o momento angular de rotação é que, enquanto o calor pode ou não ser quantizado, o momento angular de spin é uma propriedade intrinsecamente quântica, e por isso é sempre quantizado. Isso tem implicações quando se trata de contabilizar pequenas flutuações nessas quantidades, que se tornam significativas ao projetar sistemas em nanoescala.

Os cientistas investigaram apenas recentemente essas flutuações no contexto do princípio de Landauer, onde eles descobriram que essas flutuações são rapidamente suprimidas por algo chamado de igualdade Jarzynski. Isso significa que as flutuações da energia térmica têm apenas uma probabilidade muito pequena de violar o princípio de Landauer.

No novo estudo, os cientistas investigaram pela primeira vez as flutuações discretas correspondentes que surgem ao apagar informações usando o spin.

Entre seus resultados, os pesquisadores descobriram que as flutuações discretas são suprimidas ainda mais rapidamente do que o previsto pelo correspondente Igualdade de Jarzynski para "spinlabor" - um novo termo que os cientistas criaram que significa o equivalente de spin de trabalho. Esta é a primeira evidência de superar esse limite em um contexto de apagamento de informações. A supressão rápida significa que as flutuações têm uma probabilidade extremamente baixa de usar menos do que o custo mínimo necessário para apagar informações usando o giro, conforme determinado pelo limite Vaccaro-Barnett, que é o equivalente de spin do princípio de Landauer.

"Nosso trabalho generaliza relações de flutuação para apagamento usando quantidades conservadas arbitrárias e expõe o papel da discrição no contexto de apagamento, "Bedkihal disse Phys.org . "Também obtivemos uma probabilidade de limite de violação que é mais restrita do que o limite de Jarzynski correspondente. Este é um resultado estatisticamente significativo."

Os cientistas apontam ainda que esse processo de apagamento de informações com spin já foi demonstrado experimentalmente, embora pareça ter passado despercebido. No bombeamento óptico de troca de spin, a luz é usada para excitar elétrons em um átomo a um nível de energia mais alto. Para os elétrons retornarem ao seu nível de energia inferior durante o processo de relaxamento, átomos e núcleos colidem entre si e trocam spins. Esse processo de redução da entropia pode ser considerado análogo ao apagamento de informações ao custo de troca de spin.

Geral, os novos resultados revelam uma visão sobre a termodinâmica do spin e também podem orientar o desenvolvimento de aplicações futuras. Isso poderia incluir novos tipos de motores de calor e dispositivos de processamento de informações com base em apagamento que usam baratos, recursos disponíveis localmente, como momento angular de rotação. Os pesquisadores planejam prosseguir com essas possibilidades no futuro.

"O mecanismo de apagamento pode ser usado para projetar motores térmicos generalizados operando sob os reservatórios de várias quantidades conservadas, como um reservatório térmico e um reservatório de rotação, "Bedkihal disse." Por exemplo, pode-se projetar motores térmicos usando sistemas de pontos quânticos semicondutores onde as vibrações da rede constituem um reservatório térmico e os spins nucleares constituem um reservatório de spin polarizado. Esses motores térmicos vão além do motor térmico tradicional de Carnot, que opera sob dois reservatórios térmicos. "

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