Fysikersamarbete pressar en informationsmotor till dess yttersta gränser

by Albert
Schematiskt diagram över den experimentella uppställningen. AOD = Acousto-Optic Deflector, FPGA = Field Programmable Gate Array, QPD = Quadrant Photodiode, L = Linser, M = Speglar, F1-3 = Dikroiska speglar. Representativa komponenter är inte skalenliga. Kredit: Advances in Physics: X (2024). DOI: 10.1080/23746149.2024.2352112

De molekyler som utgör materian runt omkring oss är i ständig rörelse. Tänk om vi kunde ta vara på den energin och använda den?

För över 150 år sedan teoretiserade Maxwell att om molekylernas rörelse kunde mätas exakt skulle informationen kunna användas för att driva en motor. Fram till nyligen var detta ett tankeexperiment, men tekniska genombrott har gjort det möjligt att bygga fungerande informationsmotorer i labbet.

John Bechhoefer och David Sivak, fysikprofessorer vid SFU, samarbetade för att bygga en informationsmotor och testa dess gränser. Deras arbete har avsevärt förbättrat vår förståelse för hur dessa motorer fungerar, och i en artikel ledd av postdoktor Johan du Buisson och nyligen publicerad i Advances in Physics: X sammanfattar de upptäckter som gjorts under deras samarbete.

”Vi lever i en värld full av extra oanvänd energi som potentiellt skulle kunna användas”, säger Bechhoefer. Att förstå hur informationsmotorer fungerar kan inte bara hjälpa oss att använda den energin, det kan också ge oss förslag på hur befintliga motorer kan omformas för att använda energi mer effektivt och hjälpa oss att lära oss hur biologiska motorer fungerar i organismer och i människokroppen.

Teamets informationsmotor består av en liten pärla i ett vattenbad som hålls på plats med en optisk fälla. När fluktuationer i vattnet får pärlan att röra sig i önskad riktning kan fällan justeras för att förhindra att pärlan återvänder till den plats där den befann sig tidigare. Genom att göra noggranna mätningar av var pärlan befinner sig och använda den informationen för att justera fällan kan motorn omvandla vattnets värmeenergi till arbete.

För att förstå hur snabb och effektiv motorn skulle kunna vara testade teamet flera variabler, t.ex. pärlans massa och provtagningsfrekvensen, och utvecklade algoritmer för att minska osäkerheten i mätningarna.

”I sin enklaste form kan vi systematiskt förstå hur saker som temperatur och systemets storlek påverkar de saker vi kan dra nytta av”, säger Sivak. ”Vilka är de strategier som fungerar bäst? Hur förändras de med alla dessa olika egenskaper?”

Energiflöden i konventionella motorer och informationsmotorer som används för att förflytta en pärla. Kredit: Advances in Physics: X (2024). DOI: 10.1080/23746149.2024.2352112

Energiflöden i konventionella motorer och informationsmotorer som används för att förflytta en pärla. Kredit: Advances in Physics: X (2024). DOI: 10.1080/23746149.2024.2352112

Teamet kunde uppnå den snabbaste hastighet som hittills registrerats för en informationsmotor, ungefär tio gånger snabbare än hastigheten hos E. coli och jämförbar med hastigheten hos rörliga bakterier som finns i marina miljöer.

Därefter ville teamet ta reda på om en informationsmotor kan skörda mer energi än vad den kostar att driva. ”I jämvikt är det alltid ett förlorande spel”, säger Bechhoefer. ”Kostnaderna för att samla in informationen och bearbeta den kommer alltid att överstiga vad du får ut av den, men när du har en miljö som har extra energi, [molekyler som] rör sig extra mycket, kan det ändra balansen om det är tillräckligt starkt.”

De fann att i en miljö som inte var i jämvikt, där motorn befann sig i ett värmebad med högre temperatur än mätapparaten, kunde den avge betydligt mer effekt än vad den kostade att köra.

All energi på jorden kommer från solen, och den strålar så småningom ut i rymden. Det riktade energiflödet manifesterar sig på många olika sätt, till exempel som vind- eller havsströmmar som kan skördas. Att förstå principerna bakom informationsmotorer kan hjälpa oss att utnyttja energin bättre.

”Vi närmar oss [energiskörd] från en helt annan synvinkel, och vi hoppas att detta annorlunda perspektiv kan leda till några olika insikter om hur vi kan bli mer effektiva”, säger Bechhoefer.

Paret ser fram emot att arbeta tillsammans i andra projekt i framtiden. ”Vi hade turen att få ett gemensamt anslag tillsammans. Det hjälpte verkligen till med samarbetet”, säger Bechhoefer.

Sivak, som är teoretiker, och Bechhoefer, som är experimentalist, kompletterar varandra i sitt arbete, och de har lyckats locka praktikanter som vill arbeta med båda. ”Vi har olika stilar när det gäller hur vi arbetar med mentorskap och gruppledning”, säger Sivak. ”Våra studenter och postdoktorer kan dra nytta av båda metoderna.”

Ytterligare information: Johan du Buisson et al, Performance limits of information engines, Advances in Physics: X (2024). DOI: 10.1080/23746149.2024.2352112

Related Articles

Leave a Comment