Физики Констанцского университета с коллегами показали, что «память» окружающей среды можно использовать для извлечения дополнительной работы из микроскопической системы. В одном из режимов результат втрое превысил предел для сопоставимой системы без памяти. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Эксперимент развивает идею «демона Максвелла» — мысленного устройства, которое сортирует быстрые и медленные молекулы газа, используя сведения об их движении. Современные информационные двигатели тоже опираются на измерения: знание о случайных колебаниях позволяет выбрать момент воздействия и получить полезную работу.
Авторы удерживали микроскопическую стеклянную частицу лазерной ловушкой в вязкоупругой жидкости. Из-за столкновений с молекулами среды частица непрерывно совершала броуновское движение. Регистрируя ее положение, исследователи управляли смещением ловушки.
Особенность жидкости заключалась в сети вытянутых молекулярных структур — мицелл. Они деформировались под действием частицы и некоторое время сохраняли след ее предыдущего движения. Эта скрытая «память» затем влияла на дальнейшие перемещения, хотя непосредственно наблюдать все изменения среды было невозможно.
Чтобы воспользоваться ею, ученые измеряли положение частицы дважды с заданным интервалом. Сопоставление результатов давало информацию не только о самой частице, но и о состоянии ее окружения. Эффект зависел от задержки: слишком близкие измерения давали мало новых сведений, а при слишком большом промежутке память среды успевала исчезнуть. Подходящий интервал составлял около секунды.
В определенных условиях обратная связь позволяла извлекать до трех раз больше работы, чем было бы доступно при эквивалентном измерении в среде без памяти. Дополнительный ресурс обеспечивали ранее не учитывавшиеся состояния окружающей жидкости.
Второй закон термодинамики при этом сохраняется: необходимо учитывать всю систему, включая скрытые степени свободы и физические затраты на обработку информации. Результат показывает способ управлять микроскопическими процессами в сложных средах, но пока не является готовой технологией выработки энергии.
Ранее физикам удалось поймать частицу антиматерии и удержать ее в ловушке.