Maxwellin demoni paljastettu


Maxwellin demonina tunnettu ajatuskoe on jälleen yksi erinomainen esimerkki siitä, kuinka tyhjänpäiväiseltä vaikuttavalla pohdiskelulla on yllättäviä käytännön sovelluksia. Tässä tapauksessa 1800-luvun lopun pirulaisella kuvitettu mielikuvitustilanne auttaa kehittämään tulevaisuuden mullistavaa tietokonetta.


Skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell tunnetaan työstään sähkön ja sähkömagneettisuuden parissa, mutta hän pohti myös laajemmin fysiikkaa. Yksi hänen miettimistään aiheista oli entropia.

Lämpödynamiikan toinen pääsääntö sanoo, että suljetussa systeemissä epäjärjestys, eli entropia kasvaa koko ajan. Konkreettisesti tämä näkyy esimerkiksi kotona siten, että jos siellä ei siivoa säännöllisesti, paikat menevät vähitellen sekaisin ja lopulta tavarat ovat sikin sokin joka puolella. 

Oikeasti luonnossa tapahtuu myös samaa: kun esimerkiksi suljettuun säiliöön suihkutetaan kylmää kaasua, se levittäytyy lopulta joka puolelle ja lämpötilaerot tasaantuvat.

Maxwell mietti juuri tällaista suljettua kaasusäiliötä, ja pyrki löytämään tapauksia jolloin entropia ei kenties lisääntyisi. Siis lämpödynamiikka ei toimisi kuten teoria sanoo. Paras tapa testata teoriaa on yleensä koettaa löytää tapauksia, joissa se ei toimisi.

Vuonna 1867 esittelemässään ajatuskokeessa Maxwell kuvitteli kaasusäiliön, joka jaettiin kahtia väliseinällä ja seinään oli laitettu pieni luukku. Sitä vartioi pikku olento, jota Maxwell kutsui demoniksi, pikku pirulaiseksi. Se pystyy luukkua avaamalla ja sulkemalla erottelemaan hitaat kylmät ja nopeat lämpimät hiukkaset omille puolilleen ja luomaan näin lämpötilaeron, vastoin termodynamiikan oppeja.

Otsikkokuvassa oleva sarjakuva esittää miten autonominen demoni toimii: 
1. Kun demoni havaitsee elektronin tulevan saarekkeelle, se
2. vangitsee elektronin positiivisella varauksella.
3. Kun demoni huomaa elektronin poistuvan saarelta, se palauttaa
4. negatiivisen varauksen.
Piirros: Jonne Koski.

Kaasusäiliöissä ei luonnollisestikaan ole demoneita, mutta nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet rakentamaan sellaisen nanoteknologian avulla. Autonominen nanotekninen Maxwellin demoni tekee mahdolliseksi termodynamiikan mikroskooppisen tutkimisen, ja tämä osana tohtorikoulutettava Jonne Kosken väitöskirjaa oleva löytö on sen verran merkittävä, että sen tulokset julkaistiin juuri Physical Review Letters -tiedejulkaisussa.

"Rakentamamme järjestelmä on yhden elektronin transistori, joka muodostuu pienestä metallisaarekkeesta, joka on yhdistetty kahteen johtimeen suprajohtavista materiaalista tehdyillä tunnelikytkennöillä", selittää akatemiaprofessori Jukka Pekola.

"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."

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 Aalto-yliopiston 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."

Tutkimus on puhdasta perustutkimusta, mutta sen tulokset ovet erittäin kiinnostavia myös käytännön sovellusten kannalta. Sen avulla voidaan esimerkiksi päästään lähemmäksi ns. palautuvaa laskentaa hyödyntävää tietokonetta. Palautuva laskenta, eli reversible computing, tekee muun muassa mahdolliseksi tietokoneiden paremman energiatehokkuuden.

Lisäksi siitä on mahdollisesti apua vallankumouksellisten kvanttitietokoneiden kehittämisessä.

"Koska työskentelemme suprajohtavien virtapiirien kanssa, pystymme valmistamaan kvanttitietokoneiden kubitteja", kertoo Pekola. 

"Seuraavaksi haluammekin tarkastella näitä samoja ilmiöitä kvanttitasolla."

Linkki artikkeliin:
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"

Juttu perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.


Juttuja samasta aiheesta