Maxwellin demonista tehtiin itsenäinen jäähdytin nanoteknologialla

Autonominen Maxwellin demoni. Kun demoni havaitsee elektronin tulevan saarekkeelle (1.), se vangitsee elektronin positiivisella varauksella (2.). Kun demoni huomaa elektronin poistuvan saarelta (3.), se palauttaa negatiivisen varauksen (4.). Kuva Jonne Koski.

Vuonna 1867 skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell haastoi termodynamiikan toisen pääsäännön, jonka mukaan entropian, eli epäjärjestyksen on kasvettava suljetussa systeemissä. Ajatuskokeessaan Maxwell otti umpinaisen kaasusäiliön, jakoi sen kahtia väliseinällä ja sijoitti seinään pienen luukun, jota vartioiva olento, ”demoni”, pystyi luukkua avaamalla ja sulkemalla erottelemaan hitaat kylmät ja nopeat lämpimät hiukkaset omille puolilleen ja luomaan näin lämpötilaeron, vastoin termodynamiikan oppeja.

Ajatuskoetta on teoriatasolla pohdittu melkein puolitoista vuosisataa, mutta kokeellisesti sen testaaminen on ollut viime vuosiin saakka mahdotonta. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet rakentamaan nanoteknologiaa hyödyntäen autonomisen Maxwellin demonin, joka mahdollistaa termodynamiikan mikroskooppisen analysoinnin. Tutkimuksen tulokset julkaistiin juuri Physical Review Letters -tiedejulkaisussa, ja ne ovat osa tohtorikoulutettava Jonne Kosken väitöskirjaa.

– Rakentamamme järjestelmä on yhden elektronin transistori, joka muodostuu pienestä metallisaarekkeesta, joka on yhdistetty kahteen johtimeen suprajohtavista materiaalista tehdyillä tunnelikytkennöillä. Järjestelmään kytketty demoni on myös yhden elektronin transistori, joka seuraa järjestelmän elektronien liikettä. Kun elektroni tulee saarekkeelle, demoni vangitsee sen positiivisella varauksella; kun elektroni lähtee saarekkeelta, demoni hylkii sitä negatiivisella varauksella ja pakottaa sen liikkumaan ylämäkeen, mikä laskee järjestelmän lämpötilaa, kertoo akatemiaprofessori Jukka Pekola.

Demonista tekee autonomisen eli omavaraisen se, että se hoitaa sekä mittaamisen että palautteen antamisen ilman ulkopuolista apua. Lämpötilamuutokset kertovat demonin ja järjestelmän välisestä korrelaatiosta, eli periaatteessa siitä, mitä demoni tietää järjestelmästä. Tutkimus ei olisi ollut mahdollinen ilman Kylmälaboratoriossa saavutettavia olosuhteita.

– Työskentelemme äärimmäisen matalissa lämpötiloissa, joten systeemi on eristetty niin hyvin, että äärimmäisten pienten lämpötilanmuutosten rekisteröinti on mahdollista, Pekola kuvailee.

– Elektroninen demoni reagoi ja antaa palautteen nopeasti, alle mikrosekunnin viiveellä, ja sillä voidaan tehdä lukemattomia toistokokeita, kun taas maailmalla molekyyleistä demoneita tehneet kollegat joutuvat tyytymään joihinkin satoihin toistoihin.

Pekolan johtaman ryhmän työ on perustutkimusta, mutta sen tulokset voivat viitoittaa tietä muun muassa palautuvaa laskentaa (reversible computing) hyödyntäville tietokoneille.

– Koska työskentelemme suprajohtavien virtapiirien kanssa, pystymme valmistamaan kvanttitietokoneiden kubitteja. Seuraavaksi haluammekin tarkastella näitä samoja ilmiöitä kvanttitasolla, Pekola paljastaa.

Artikkeli: J. V. Koski, A. Kutvonen, I. M. Khaymovich, T. Ala-Nissilä and J. P. Pekola "On-chip Maxwell’s demon as an information-powered refrigerator"

Artikkelin abstrakti luettavissa osoitteessa http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.260602 ja pidempi, työtä taustoittava teksti Viewpoint: Exorcising Maxwell’s Demon osoitteessa http://physics.aps.org/articles/v8/127

Lisätietoja:

Akatemiaprofessori Jukka Pekola
Puh.  040 700 9290
[email protected]

Katso myös, kuinka Maxwellin demoni muuntaa tietoa energiaksi nanoteknologian avulla