Мини

14 ноября 2022 г.

Институтом фундаментальных вопросов, FQXi

Слишком сильный фоновый шум обычно гарантированно мешает работе. Но физики разработали микромасштабный двигатель, сделанный из стеклянной бусины, который может не только противостоять отвлекающему влиянию шума, но и использовать его для эффективной работы. Об их эксперименте сообщается в журнале Physical Review Letters, и он был выбран журналом в качестве основного события исследования.

В повседневной жизни нам знакомы двигатели и моторы, которые потребляют топливо для направленного движения и тем самым выполняют полезную работу. Но в микроскопическом мире все сложнее, где шум в виде тепла может легко все испортить.

«Тепло заставляет компоненты маленьких машин постоянно покачиваться вперед и назад», — объясняет старший автор Джон Беххофер, квантовый физик из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби, Британская Колумбия, и член Института фундаментальных вопросов FQXi, научного центра по физике. . Поэтому обычно эффект такого теплового шума от тепла в окружающей среде заключается в уменьшении количества полезной работы, которую может произвести крошечный двигатель.

Но существует особое семейство микроскопических машин, называемых «информационными машинами», которые могут использовать шум для направленного движения. Информационная машина действует, измеряя небольшие движения, вызванные теплом, и использует эту информацию для выборочного усиления тех движений, которые идут «правильным» путем, в том направлении, которое требует машина.

«Информационная машина — это машина, которая преобразует информацию в работу», — говорит Беххофер.

Физики и инженеры с нетерпением ждут создания таких крошечных двигателей, обрабатывающих информацию, для разработки новых микроскопических машин для нанотехнологических приложений. «Существует большой интерес к тому, чтобы черпать вдохновение из биомолекулярных машин, созданных природой», — говорит соавтор Дэвид Сивак, физик из СФУ. «Наша работа расширяет наше понимание того, как информация может использоваться в таких машинах, указывая на возможные варианты использования для устойчивого сбора энергии или более эффективного компьютерного хранения и вычислений».

«Информационная машина — это машина, которая преобразует информацию в работу», — говорит Джон Беххофер.

Беххефер, Сивак и их коллеги из СФУ Тушар Саха, Джозеф Лусеро и Янник Эрих построили информационную машину, используя микроскопический стеклянный шарик размером с бактерию, суспендированный в воде. Шарик свободно удерживается на месте лазерным лучом, который действует как опора под лучом. Молекулы воды мягко толкают шарик из-за естественных температурных колебаний жидкости, и время от времени шарик будет трястись.

Вот в чем хитрость: когда команда определяет, что шарик поднялся против силы тяжести из-за тепловых колебаний, они поднимают лазерную опору. В этом более высоком положении бусина теперь имеет больше запасенной энергии, или гравитационной потенциальной энергии, как у поднятого вверх шарика, готового упасть.

Команде не пришлось тратить силы на то, чтобы поднять частицу; это движение произошло естественным образом благодаря покачиванию молекул воды. Таким образом, двигатель преобразует теплоту воды в запасенную гравитационную потенциальную энергию, используя обратную связь о движении шарика для настройки лазерной ловушки. «Решение о том, следует ли поднимать ловушку, и если да, то на сколько, зависит от информации, которую мы собираем о положении шарика, который действует как «топливо» для двигателя», — говорит ведущий автор Саха.

В принципе, так это и работает, но правильная реализация этой стратегии затруднительна, если в системе слишком много шума измерения, генерируемого яркостью лазерного луча, используемого для определения местоположения шарика. В таких случаях неопределенность положения шарика для каждого измерения может быть больше, чем колебания шарика, вызванные покачиванием молекул воды. «Шум измерений приводит к ошибочной обратной связи и тем самым снижает производительность», — говорит Саха.