Pesquisadores das Universidades de Viena e Stuttgart investigaram uma versão do demônio de Maxwell personificado por uma força de retroalimentação retardada agindo sobre uma micropartícula levitada. Eles confirmaram novos limites fundamentais que o retardo de tempo impõe às ações do demônio que não são cobertos pelas leis padrão da termodinâmica. A equipe de cientistas publicou seu novo estudo na revista Nature Communications .

O demônio de Maxwell é um ser hipotético inteligente capaz de detectar e reagir aos movimentos de moléculas individuais. Em seu experimento mental, James Clerk Maxwell imaginou um demônio que controla uma pequena porta conectando duas câmaras de moléculas de gás. Ao deixar passar apenas as moléculas quentes rápidas em uma câmara, o demônio separa as moléculas frias das quentes, diminuindo assim a desordem, entropia, do sistema em aparente contradição com a segunda lei da termodinâmica.

Hoje em dia, o experimento mental do demônio de Maxwell pode ser realizado, e. uma micropartícula sujeita a controle de feedback. Isso significa que a posição de uma partícula é medida, a informação é armazenada e usada para extrair energia da micropartícula aplicando uma força de feedback adequada. Em estudos anteriores, Contudo, o tempo de reação do demônio nunca foi considerado. Isso tem um impacto no desempenho do demônio e deve ser levado em consideração em cenários realistas.

Com base em um estudo teórico recente de M.L. Rosinberg e T. Munakata, uma colaboração internacional de pesquisadores da Universidade de Viena (Áustria) e da Universidade de Stuttgart (Alemanha) agora investigou o efeito do atraso em uma abordagem termodinâmica do demônio de Maxwell. Os cientistas usaram uma micropartícula que foi levitada opticamente por luz laser. A partícula oscila em uma pinça óptica no vácuo enquanto é exposta a colisões aleatórias com o gás circundante, chamado movimento browniano. O demônio realizado por um circuito eletrônico adquire informações sobre a micropartícula rastreando sua posição, e se aplica, depois de um certo atraso, uma força de feedback correspondente na micropartícula usando um segundo laser. De seu experimento, os cientistas foram capazes de determinar as quantidades termodinâmicas, como calor trocado e fluxo de entropia. Seus resultados confirmam com sucesso a nova versão da segunda lei, incluindo atraso de tempo. "Usamos uma abordagem termodinâmica para entender o papel dos atrasos em ciclos de feedback realistas. Aqui, micropartículas levitadas são um banco de ensaio ideal que oferece excelente controle sobre a dinâmica das partículas ", diz Maxime Debiossac, autor principal do estudo.

Como consequência do novo estudo, o fluxo de entropia coloca novos limites na energia extraída, ou em outras palavras, sobre a eficiência com que um demônio pode trabalhar. Além de quantificar essa eficiência, os cientistas observaram que por longos períodos de tempo o demônio causa algum movimento aleatório da partícula que é diferente do movimento browniano usual. "Nossos resultados indicam limites termodinâmicos que também afetarão os experimentos que dependem de feedback para trazer sistemas mecânicos para o regime quântico", diz Nikolai Kiesel, chefe da equipe da Universidade de Viena, "agora estamos muito curiosos sobre as consequências que nossa pesquisa terá para esse regime."