Des physiciens ont démontré expérimentalement un moteur d'information - un dispositif qui convertit l'information en travail - avec une efficacité qui dépasse la deuxième loi conventionnelle de la thermodynamique. Au lieu, l'efficacité du moteur est limitée par une deuxième loi généralisée de la thermodynamique récemment proposée, et c'est le premier moteur d'information à s'approcher de cette nouvelle limite.

Les résultats démontrent à la fois la faisabilité de la réalisation d'un moteur d'information "sans perte" - ainsi appelé parce que pratiquement aucune des informations disponibles n'est perdue mais est au contraire presque entièrement convertie en travail - et valide également expérimentalement la netteté de la limite fixée par la seconde généralisée. loi.

Les physiciens, Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, et Hyuk Kyu Pak à l'Institut des sciences fondamentales d'Ulsan, Corée du Sud (Tlusty et Pak font également partie de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan), ont publié un article sur le moteur d'information sans perte dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

« La réflexion sur les moteurs a entraîné les progrès de la thermodynamique et de la mécanique statistique depuis que Carnot a imposé une limite au rendement des moteurs thermiques en 1824, " Pak a dit Phys.org . « L'ajout du traitement de l'information sous la forme de « démons » a posé de nouvelles limites, et il était essentiel de vérifier les nouvelles limites de l'expérience."

Traditionnellement, l'efficacité maximale avec laquelle un moteur peut convertir l'énergie en travail est limitée par la deuxième loi de la thermodynamique. Dans la dernière décennie, cependant, des expériences ont montré que l'efficacité d'un moteur peut dépasser la deuxième loi si le moteur peut obtenir des informations de son environnement, car il peut ensuite convertir ces informations en travail. Ces moteurs d'information (ou "les démons de Maxwell, " du nom de la première conception d'un tel appareil) sont rendues possibles grâce à un lien fondamental entre l'information et la thermodynamique que les scientifiques tentent toujours de comprendre pleinement.

Naturellement, les récentes démonstrations expérimentales de moteurs d'information ont soulevé la question de savoir s'il existe une limite supérieure à l'efficacité avec laquelle un moteur d'information peut convertir l'information en travail. Pour répondre à cette question, les chercheurs ont récemment dérivé une deuxième loi généralisée de la thermodynamique, ce qui représente à la fois l'énergie et l'information converties en travail. Cependant, aucun moteur d'information expérimental n'a approché les limites prédites, jusqu'à maintenant.

La deuxième loi généralisée de la thermodynamique stipule que le travail extrait d'un moteur d'information est limité par la somme de deux composantes :la première est la différence d'énergie libre entre les états final et initial (c'est la seule limite imposée aux moteurs conventionnels par les deuxième loi), et l'autre est la quantité d'informations disponibles (cette partie fixe une limite supérieure au travail supplémentaire qui peut être extrait des informations).

Pour atteindre l'efficacité maximale fixée par la deuxième loi généralisée, les chercheurs de la nouvelle étude ont conçu et mis en œuvre un moteur d'information constitué d'une particule piégée par la lumière à température ambiante. Les fluctuations thermiques aléatoires provoquent un léger mouvement de la minuscule particule en raison du mouvement brownien, et une photodiode suit le changement de position de la particule avec une précision spatiale de 1 nanomètre. Si la particule s'éloigne de plus d'une certaine distance de son point de départ dans une certaine direction, le piège à lumière se déplace rapidement dans la direction de la particule. Ce processus se répète, de sorte qu'au fil du temps le moteur transporte la particule dans une direction souhaitée simplement en extrayant le travail des informations qu'il obtient des fluctuations thermiques aléatoires du système (la composante d'énergie libre est ici nulle, il ne contribue donc pas au travail extrait).

L'une des caractéristiques les plus importantes de ce système est sa réponse quasi instantanée :le piège se déplace en une fraction de milliseconde seulement, ne donnant pas à la particule le temps de se déplacer plus loin et de dissiper de l'énergie. Par conséquent, presque aucune de l'énergie gagnée par le changement n'est perdue en chaleur, mais plutôt presque tout est converti en travail. En évitant pratiquement toute perte d'information, la conversion information-énergie de ce processus atteint environ 98,5 % de la limite fixée par la deuxième loi généralisée. Les résultats soutiennent cette borne, et illustrer la possibilité d'extraire le maximum de travail possible de l'information.

Outre leurs implications fondamentales, les résultats peuvent également conduire à des applications pratiques, que les chercheurs prévoient d'étudier à l'avenir.

« La nanotechnologie et les systèmes vivants fonctionnent à des échelles où l'interaction entre le bruit thermique et le traitement de l'information est importante, " a déclaré Pak. " On peut penser à des systèmes d'ingénierie où l'information est utilisée pour contrôler les processus moléculaires et les conduire dans la bonne direction. Une possibilité est de créer des hybrides de systèmes biologiques et de systèmes modifiés, même dans la cellule vivante."

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