آیا شیطان ماکسول در قلمروی اثر زنو کوانتومی، همچنان شیطان است؟

یکی از چالش‌های امروز عرصه‌ی فناوری، به ویژه دستگاه‌های در مقیاس نانو، بهره‌برداری کامل از تفاوت دمایی میان دو منبع است. گرچه این امر، برخلاف قانون دوم ترمودینامیک است، اما دانشمندان در تلاشند از طریق افزایش انتروپی و بهره‌برداری از اطلاعات، این امر را تحقق بخشند. ایده‌ی آنها استفاده از آزمایش فکری شیطان ماکسول است. در سال‌های اخیر، مطالعات بسیاری در زمینه‌ی آزمایش شیطان ماکسول انجام شده و پژوهش حاضر نیز، اثر شیطان ماکسول را در در قلمروی اثر زنو کوانتومی بررسی کرده که نتیجه‌ی جالب آن در مجله‌ی New Journal of Physics منتشر شده است. با دیپ‌لوک همراه باشید…

در آزمایش اصلی شیطان ماکسول ، یک شیطان دائما سیستمی متشکل از دو مخزن گرم و سرد را اندازه‌گیری کرده و با اینکار، یک تفاوت دمایی بین دو منبع ایجاد می‌کند که می‌توان از آن برای استخراج کار استفاده کرد. از آنجا که اندازه‌گیری‌های شیطان ماکسول ، انرژی مصرف نمی‌کند، به نظر می‌رسد که این شیطان، قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کند. البته این تناقض را با این فرض می‌توان حل کرد که شیطان، از اطلاعات برای انجام وظایف خود استفاده می‌کند.

از طرفی، اگر یک سیستم کوانتومی به طور پیوسته اندازه‌گیری شود، در حالت خود، ثابت یا منجمد می‌شود؛ یعنی بدون تغییر می‌ماند، که به اثر زنو کوانتومی (quantum Zeno effect) معروف است. اکنون این سوال پیش ‌می‌آید که اگر آزمایش شیطان ماکسول را در قلمروی اثر زنو کوانتومی انجام دهیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ آیا اندازه‌گیری‌های پی‌در‌پی شیطان ماکسول باعث می‌شود سیستم، منجمد شده و نتوان از آن کار استخراج کرد یا شیطان ماکسول همچنان قادر خواهد بود بر روی دینامیک سیستم اثر بگذارد؟ در این پژوهش جدید، دو فیزیکدان دانشگاه صنعتی برلین، آزمایش شیطان ماکسول را در یک ترانزیستور تک الکترونی به طور نظری، پیاده کردند. هدف آن‌ها بررسی عملکرد شیطان ماکسول در قلمروی اثر زنو کوانتومی بود.

در مدل آن‌ها، ترانزیستور تک الکترون شامل دو مخزن الکترون است که توسط یک نقطه‌ی کوانتومی (quantum dot)، جفت‌ شده و یک شیطان بطور پیوسته آنها را اندازه‌گیری می‌کند. محققان نشان دادند طبق پیش‌بینی اثر زنو کوانتومی، اندازه‌گیری‌های پی‌درپی شیطان ماکسول، از عبور جریان بین دو مخزن جلوگیری می‌کند؛ در نتیجه نمی‌توان از این سیستم، کار استخراج کرد. دانشمندان همچنین بررسی کردند که اگر اندازه‌گیری‌های شیطان ماکسول کاملاً پیوسته نباشد، چه اتفاقی رخ می‌دهد. آنها متوجه شدند که یک نرخ بهینه‌ی اندازه‌گیری وجود دارد که باعث منجمد شدن سیستم نمی‌شود، اما اگر تفاوتی شیمیایی بین دو مخزن ایجاد شود، می‌توان انتظار استخراج کار از سیستم را داشت. آنها می‌گویند:

کلیدی‌­ترین مزیت یافته‌های ما این است که برای دستیابی به عملکرد بهینه‌ی سیستم، باید دینامیک گذرای سیستم‌های ترمودینامیکی را در بازه‌ی زمانی کوچک بررسی کنیم. این نتیجه می‌تواند برای توسعه و بهبود دستگاه‌های مقیاس نانو مهم باشد.

فیزیکدانان معتقدند این قلمروی واسطه، میان ناحیه‌ی کوانتومی (ناحیه‌ای که اثرات کوانتومی رخ می‌دهد) و  ناحیه‌ی کلاسیک قرار دارد. نکته‌ی جالب در مورد این قلمروی حدواسط، این است که انرژی سیستم با توجه به اندازه‌گیری‌های شیطان ماکسول، به گونه‌ای کاهش می‌یابد که انرژی خارجی برای انجام کار شیطان ماکسول نیاز نباشد. با پیشرفت در این زمینه، استخراج کار از اختلاف شیمیایی، ممکن خواهد بود؛ مثلا می‌توان یک باتری را شارژ کرد. محققان می‌خواهند این امکان را در آینده تحقق ببخشند. آنها می‌گویند:

در تحقیقات آینده‌ تلاش می‌کنیم کاربردهای بالقوه را بررسی کنیم. مثلا فرآیندهای بازخوردی، در بسیاری از فرایندهای زیستی، بسیار مهم هستند. امیدواریم که فرایندهای انتقال کوانتومی را از منظر بازخورد، تجزیه‌تحلیل کنیم. علاوه بر این، ما به کنترل بازخوردی ساختارهای نواری توپولوژیکی علاقه داریم. به دلیل اینکه اثرات توپولوژیکی به شدت به دینامیک همدوس وابسته هستند، به نظر می‌رسد اندازه‌گیری‌ها، مانعی برای کنترل بازخوردی باشند. به هر حال، برای یک اندازه‌گیری ضعیف که تنها حالت‌های کوانتومی همدوس را بصورت جزئی تخریب می‌کند، شاید دستکاری‌های بازخوردی، منطقی باشند.