Демона Максвелла зажали между квантовыми точками
Демон Максвелла — это создание физика Джеймса Максвелла в 1867 году для разрешения парадокса, возникающего при применении второго начала термодинамики к объяснению энтропии замкнутых систем. Демон — это воображаемое существо, которое якобы управляет молекулами, их скоростью и температурой. То есть, если вообразить сосуд, разделенный на две части перегородкой, то над ней как раз сидит демон и управляет поведением молекул внутри этой системы. Его задача проста — он распределяет все молекулы по отсекам в зависимости от их скорости. Быстрые молекулы помещаются в одну часть сосуда, медленные — в другую. Разница в скоростях частиц создает и разницу в их температуре. Таким образом, демон упорядочивает молекулы и уменьшает энтропию всей системы. Это создает парадокс второго закона термодинамики.
Ученые неоднократно пытались продемонстрировать систему с демоном Максвелла, используя лабораторное оборудование, различные молекулярные машины, включали в эксперименты броуновские частицы и даже моделировали систему с использованием молекул ДНК. Последним экспериментом в исследовании термодинамики систем с демоном Максвелла стала система квантовых точек. Ученые говорят о том, что при распределении частиц по отсекам сосуда возникает определенное количество информации. Когда её становится слишком много, демон удаляет ее и, таким образом, увеличивается энтропия исследуемой системы. То есть именно наличие информации должно влиять на уровень энтропии.
Ученые поместили в систему двух квантовых точек резервуар электронов с одинаковой температурой. Было смоделировано возникновение демона Максвелла и продемонстрировано влияние информации на конвертирование тепла в работу. Ученым удалось реализовать измерение зарядов, присутствующих в системе квантовых точек, и перемещение электронов супротив приложенному напряжению по возвратной схеме. Переходы были одноэлектронными, так они помогли дать теоретическую оценку термодинамических характеристик демона Максвелла. После этого ученые составили кривые зависимостей мощности и тепла от степени туннелирования и запирающего напряжения.
Оказалось, что нормальному распределению не подчиняются рабочее, транспортное и тепловое распределения. При этом изменение энтропии целостной системы, которая представляет собой объединенные энтропии демона Максвелла и системы резервуаров с квантовыми точками, подчиняется второму закону термодинамики — ее показатель больше 0. Если допустить присутствие неидеального демона в данной системе, то возникнет некоторый шум, который создаст задержку измерения — у демона Максвелла будет сужена область действия. При этом степень туннелирования увеличится, и станут не достижимыми идеальные параметры мощности. В таких условиях описать траекторию электронов точным образом не получится. Но даже тогда можно оперировать демоном Максвелла, и именно это радует ученых, которые применяют данную модель для упорядочивания элементов других необычных систем.
