Os físicos demonstraram experimentalmente um mecanismo de informação - um dispositivo que converte informação em trabalho - com uma eficiência que excede a segunda lei convencional da termodinâmica. Em vez de, a eficiência do motor é limitada por uma segunda lei da termodinâmica generalizada recentemente proposta, e é o primeiro mecanismo de informação a se aproximar desse novo limite.

Os resultados demonstram a viabilidade de realizar um mecanismo de informação "sem perdas" - assim chamado porque praticamente nenhuma informação disponível é perdida, mas em vez disso é quase totalmente convertida em trabalho - e também valida experimentalmente a nitidez do limite definido pelo segundo generalizado lei.

Os físicos, Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, e Hyuk Kyu Pak no Institute for Basic Science em Ulsan, Coreia do Sul (Tlusty e Pak também estão com o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan), publicaram um artigo sobre o mecanismo de informação sem perdas em uma edição recente da Cartas de revisão física .

"Pensar nos motores impulsionou o progresso da termodinâmica e da mecânica estatística desde que Carnot estabeleceu um limite para a eficiência dos motores térmicos em 1824, "Pak disse Phys.org . "Adicionar processamento de informações na forma de 'demônios' estabelece novas limitações, e era fundamental verificar os novos limites do experimento. "

Tradicionalmente, a eficiência máxima com a qual um motor pode converter energia em trabalho é limitada pela segunda lei da termodinâmica. Na década passada, Contudo, experimentos mostraram que a eficiência de um motor pode superar a segunda lei se o motor puder obter informações de seus arredores, uma vez que pode então converter essas informações em trabalho. Esses motores de informação (ou "demônios de Maxwell, "nomeado após a primeira concepção de tal dispositivo) são possíveis devido a uma conexão fundamental entre a informação e a termodinâmica que os cientistas ainda estão tentando entender completamente.

Naturalmente, as recentes demonstrações experimentais de motores de informação levantaram a questão de saber se existe um limite superior para a eficiência com que um motor de informação pode converter informação em trabalho. Para resolver esta questão, pesquisadores recentemente derivaram uma segunda lei generalizada da termodinâmica, que é responsável pela conversão de energia e informação em trabalho. Contudo, nenhum mecanismo de informação experimental se aproximou dos limites previstos, até agora.

A segunda lei generalizada da termodinâmica afirma que o trabalho extraído de um motor de informação é limitado pela soma de dois componentes:o primeiro é a diferença de energia livre entre os estados final e inicial (este é o único limite colocado nos motores convencionais pelos convencionais segunda lei), e a outra é a quantidade de informações disponíveis (esta parte define um limite superior para o trabalho extra que pode ser extraído das informações).

Para alcançar a eficiência máxima definida pela segunda lei generalizada, os pesquisadores do novo estudo projetaram e implementaram um mecanismo de informação feito de uma partícula capturada pela luz em temperatura ambiente. Flutuações térmicas aleatórias fazem com que a partícula minúscula se mova ligeiramente devido ao movimento browniano, e um fotodiodo rastreia a posição de mudança da partícula com uma precisão espacial de 1 nanômetro. Se a partícula se move mais do que uma certa distância de seu ponto inicial em uma certa direção, a armadilha de luz muda rapidamente na direção da partícula. Este processo se repete, de modo que, ao longo do tempo, o motor transporta a partícula na direção desejada simplesmente extraindo trabalho das informações que obtém das flutuações térmicas aleatórias do sistema (o componente de energia livre aqui é zero, portanto, não contribui para o trabalho extraído).

Uma das características mais importantes deste sistema é sua resposta de feedback quase instantânea:a armadilha muda em apenas uma fração de milissegundo, não dando tempo para a partícula se mover mais e dissipar energia. Como resultado, quase nenhuma energia ganha com a mudança é perdida para o calor, mas, ao contrário, quase tudo é convertido em trabalho. Ao evitar praticamente qualquer perda de informação, a conversão de informação em energia desse processo atinge aproximadamente 98,5% do limite estabelecido pela segunda lei generalizada. Os resultados dão suporte para este limite, e ilustrar a possibilidade de extrair o máximo de trabalho possível das informações.

Além de suas implicações fundamentais, os resultados também podem levar a aplicações práticas, que os pesquisadores planejam investigar no futuro.

"Tanto a nanotecnologia quanto os sistemas vivos operam em escalas onde a interação entre o ruído térmico e o processamento da informação é significativa, "Pak disse." Pode-se pensar em sistemas de engenharia onde a informação é usada para controlar processos moleculares e conduzi-los na direção certa. Uma possibilidade é criar híbridos de sistemas biológicos e de engenharia, mesmo na célula viva. "

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