Iz "skrivene memorije" tečnosti izvučeno i do tri puta više energije

Naučnici sa Univerziteta u Konstancu u Njemačkoj, na čelu s fizičarem Clemensom Bechingerom, izveli su eksperiment u kojem su iz mikroskopskog sistema izvukli i do tri puta više korisnog rada nego što iznosi teorijska granica za ekvivalentan sistem bez skrivene memorije. Ključ je bio u tome što su iskoristili informacije skrivene u strukturi tečnosti koja okružuje česticu.

Stari paradoks u novoj ulozi

Eksperiment se oslanja na poznatu misaonu zamisao zvanično poznatu kao Maxwellov demon — zamišljeno biće koje razdvaja brze i spore čestice gasa i time, navodno, smanjuje entropiju bez ikakvog rada. Taj je paradoks odavno riješen: informacija je fizička i njena obrada nosi termodinamički trošak koji čuva drugi zakon termodinamike. Rješenje je, međutim, otkrilo nešto zanimljivo — informacije o fizičkom sistemu same mogu poslužiti za izvlačenje korisnog rada iz tog sistema.

Bechinger i kolege sagradili su upravo takav "informacioni motor". Laserskom zamkom zarobili su staklenu kuglicu mikroskopskih dimenzija u tečnosti. Iako zarobljena, kuglica se stalno nasumično micala pod udarcima okolnih molekula — pojavom poznatom kao Brownovo kretanje. Praćenjem njenog položaja istraživači su znali kada da pomjere lasersku zamku i tako izvuku malo energije.

Skrivena memorija u tečnosti

Novost je bila u sastavu tečnosti: umjesto obične vode, korištena je tečnost ispunjena končastim molekulima zvanim micele, koje formiraju mikroskopsku mrežu nevidljivu istraživačima. Mreža se preplitala i preuređivala dok se kuglica micala, zadržavajući tragove njenog ranijeg kretanja koji su mogli uticati na to kamo će se kuglica pokrenuti sljedeće.

Da bi pročitali tu skrivenu dinamiku, tim je mjerio položaj kuglice dvaput, s pažljivo odmjerenim razmakom između mjerenja. Optimalnim se pokazao razmak od oko jedne sekunde — preblizu mjerenja nisu otkrivala ništa o tečnosti, a predugo odvojena gubila su trag jer bi mreža već "zaboravila" ranije kretanje. Usporedba dvaju mjerenja omogućila je preciznije podešavanje laserske zamke i vađenje energije koja bi inače ostala nedostupna.

Za sada, priznaju istraživači, praktična primjena ne postoji — nisu izgradili uređaj koji obavlja koristan zadatak. Vrijednost je eksperimenta u tome što je demonstrirao nov način izvlačenja energije iz mikroskopskih sistema i produbio razumijevanje onoga što informacioni motori mogu postići. To bi moglo biti važno za buduće tehnologije koje rade na mikroskopskoj skali, posebno u složenim okruženjima poput bioloških tečnosti, gdje je interakcije između čestica i okoline teško predvidjeti. Umjesto da se te interakcije tretiraju kao prepreka, novo istraživanje sugerira da bi se mogle iskoristiti kao dodatni izvor korisne energije.

"Naši rezultati uspostavljaju memorijsko okruženje kao eksperimentalno dostupan termodinamički resurs", pišu istraživači.