Η γραμμική σχέση εντροπίας και ακρίβειας στα κβαντικά χρονόμετρα ισχύει σε πιο κλασικά συστήματα;

Η εντροπία γενικά αυξάνει με κάθε χτύπο του ρολογιού, έτσι είναι φυσικό ότι μια συσκευή χρονομέτρησης παράγει αυξητική τάση στην εντροπία καθώς λειτουργεί. Οικοδομώντας σε προηγούμενη εργασία με κβαντικά ρολόγια, ερευνητές τώρα δείχνουν ότι ένα απλό κλασικό ρολόι – του οποίου οι χτύποι είναι οι δονήσεις μιας οδηγούμενης από θερμότητα μεμβράνης πάχους νανομέτρου – δημιουργεί περισσότερη εντροπία όσο η ακρίβειά της αυξάνεται. Τα πειράματα ανοίγουν ένα νέο δρόμο για την εξερεύνηση πώς οι νανομηχανές μπορούν να μετατρέψουν τυχαία εισιόντα σε χρήσιμο έργο.

Ένα ρολόι είναι μια μηχανή και, όπως όλες οι μηχανές, υπακούει στους νόμους της θερμοδυναμικής. Προηγούμενες μελέτες έχουν ασχοληθεί με τα κβαντικά ρολόγια, βρίσκοντας μια γραμμική σχέση μεταξύ της ακρίβειάς τους και της εντροπίας που παράγουν. Όμως είναι αβέβαιο αν αυτή η σχέση παραμένει για κλασικά ρολόγια, καθώς είναι δυσκολότερη η παρακολούθηση της ενέργειας μέσα και έξω αυτών των μεγάλων συσκευών.

Η Natalia Ares από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, στο Ηνωμένο Βασίλειο και οι συνεργάτες της σχεδίασαν ένα κλασικό ρολόι, με συντονιζόμενη ακρίβεια, για την οποία θα μπορούσαν να μετράνε τις ενεργειακές ροές. Το σύστημά τους συνίσταται από μεμβράνη νιτριδίου του πυριτίου απλωμένο πάνω σε μεταλλικά ηλεκτρόδια, σχηματίζοντας μια πολύ μικρή κοιλότητα.

(a) Για τη χρονομέτρηση, ο ωρολογιακός μηχανισμός καταναλώνει πόρους, μέρος των οποίων χάνεται ως απόβλητο. (b) Απλός μηχανικός ωρολογιακός μηχανισμός: μια μάζα που κρέμεται από ελατήριο και η θερμότητα από το περιβάλλον που διεγείρει την κίνηση της μάζας σε μια συχνότητα. (c) Μια σχηματική απεικόνιση του ηλεκτρομηχανικού συστήματος που λειτούργησε στο πείραμα ως χρονόμετρο.

Οι ερευνητές εφάρμοσαν ένα σήμα θορύβου στα ηλεκτρόδια, κάνοντας τη μεμβράνη να δονείται σε μια συχνότητα αντήχησης. Ένα κύκλωμα συνδεδεμένο με την κοιλότητα μετρούσε τις δονήσεις της μεμβράνης και κατέγραφε ένα χτύπο – ένα «τικ» – για κάθε κύκλο δόνησης. Αυξάνοντας την ενέργεια, ή τη «θερμότητα», στο εισερχόμενο σήμα, η ομάδα μπόρεσε να αυξάνει το πλάτος της δόνησης και, μετά, βελτίωνε την ακρίβεια των μετρήσεων της μεμβράνης. Τα μέλη της ομάδας, βρήκαν ότι το κόστος σε εντροπία – που εκτιμάται από τη μέτρηση της απώλειας ενέργειας στο ερευνητικό κύκλωμα – αυξήθηκε γραμμικά με την ακρίβεια, σε συμφωνία με τη συμπεριφορά κβαντικού ρολογιού.

Πηγή: American Physical Society

Περισσότερα στη δημοσίευση: Measuring the thermodynamic cost of timekeeping. Physical Review X.