Des chercheurs des universités de Vienne et de Stuttgart ont étudié une version du démon de Maxwell incarnée par une force de rétroaction retardée agissant sur une microparticule en lévitation. Ils ont confirmé de nouvelles limites fondamentales que le retard temporel impose aux actions du démon qui ne sont pas couvertes par les lois standard de la thermodynamique. L'équipe de scientifiques a publié sa nouvelle étude dans la revue Communication Nature .

Un démon de Maxwell est un être intelligent hypothétique capable de détecter et de réagir aux mouvements de molécules individuelles. Dans son expérience de pensée, James Clerk Maxwell a imaginé un démon qui contrôle une petite porte reliant deux chambres de molécules de gaz. En ne laissant passer que les molécules chaudes rapides dans une chambre, le démon sépare les molécules froides des molécules chaudes diminuant ainsi le désordre, entropie, du système en contradiction apparente avec la deuxième loi de la thermodynamique.

De nos jours, l'expérience de pensée du démon de Maxwell peut être réalisée par ex. une microparticule soumise à un contrôle par rétroaction. Cela signifie que la position d'une particule est mesurée, les informations sont stockées et utilisées pour extraire de l'énergie de la microparticule en appliquant une force de rétroaction appropriée. Dans les études précédentes, cependant, le temps de réaction du démon n'avait jamais été pris en compte. Cela a un impact sur les performances du démon et doit être pris en compte dans des scénarios réalistes.

S'appuyant sur une étude théorique récente de M.L. Rosinberg et T. Munakata, une collaboration internationale de chercheurs de l'Université de Vienne (Autriche) et de l'Université de Stuttgart (Allemagne) a maintenant étudié l'effet du retard dans une approche thermodynamique du démon de Maxwell. Les scientifiques ont utilisé une microparticule qui a été optiquement lévitée par la lumière laser. La particule oscille dans une pince optique sous vide tout en étant exposée à des collisions aléatoires avec le gaz environnant, appelé mouvement brownien. Le démon réalisé par un circuit électronique acquiert des informations sur la microparticule en suivant sa position, et s'applique, après un certain délai, une force de rétroaction correspondante sur la microparticule à l'aide d'un deuxième laser. De leur expérience, les scientifiques ont pu déterminer des quantités thermodynamiques telles que la chaleur échangée et le flux d'entropie. Leurs résultats confirment avec succès la nouvelle version de la deuxième loi, y compris la temporisation. "Nous avons utilisé une approche thermodynamique pour comprendre le rôle des retards dans les boucles de rétroaction réalistes. Ici, les microparticules en lévitation sont un banc d'essai idéal qui offre un excellent contrôle sur la dynamique des particules" déclare Maxime Debiossac, auteur principal de l'étude.

À la suite de la nouvelle étude, le flux d'entropie impose de nouvelles limites à l'énergie extraite, ou en d'autres termes, sur l'efficacité avec laquelle un démon peut travailler. En plus de quantifier cette efficacité, les scientifiques ont observé que pendant de très longs délais, le démon provoque un mouvement aléatoire de la particule qui est différent du mouvement brownien habituel. "Nos résultats indiquent des limites thermodynamiques qui affecteront également les expériences qui reposent sur la rétroaction pour amener les systèmes mécaniques dans le régime quantique", explique Nikolai Kiesel, chef d'équipe de l'Université de Vienne, "Nous sommes maintenant très curieux des conséquences que nos recherches auront pour ce régime."