Con quỷ của Maxwell là khái niệm do nhà vật lí James Clerk Maxwell lần đầu tiên nêu ra hồi thế kỉ 19. Ông đề xuất rằng có con quỷ nào đó tác dụng như một người gác cửa, chỉ cho phép những phân tử nóng (chuyển động nhanh) đi qua theo một chiều và những phân tử lạnh (chuyển động chậm) đi qua theo chiều kia. Trên lí thuyết, con quỷ đó sẽ có thể làm nóng một nguồn nóng và làm lạnh một nguồn lạnh. Miễn là con quỷ đó sử dụng một lượng năng lượng đủ nhỏ, thì entropy mà nó tạo ra sẽ nhỏ hơn entropy của hệ mà nó làm hạ. Như vậy, con quỷ của Maxwell vi phạm nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học.
Cho đến nay, các nhà khoa học chưa có thể tạo ra con quỷ của Maxwell trên thực tế, ít nhất là không phải không tăng thêm entropy ở đâu đó khác. Tuy nhiên, họ đã và đang thử rất nhiều phương pháp, đặc biệt là trong thập niên vừa qua.
Trong một nghiên cứu mới, Philipp Strasberg thuộc Viện Công nghệ Berlin, và các đồng tác giả, đề xuất rằng con quỷ của Maxwell có thể triển khai được trên thực tế với hai chấm lượng tử đang tương tác nối với những nguồn nhiệt, trong đó một chấm đóng vai trò của con quỷ còn chấm kia là hệ điều khiển. Thí nghiệm không vi phạm nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học, và nó mang lại một sự hiện thực hóa tối thiểu, rất đơn giản của con quỷ.
Trong một hiện thực hóa tối thiểu của con quỷ Maxwell, hai chấm lượng tử đang tương tác được nối với những nguồn nhiệt, trong đó một chấm lượng tử đóng vai trò của con quỷ còn chấm kia là hệ điều khiển. Ảnh: Philipp Strasberg
“Để kiểm tra kiến thức của chúng ta, nghiên cứu của chúng tôi lần đầu tiên nêu ra một mô tả nhiệt động lực học hoàn chỉnh của một con quỷ Maxwell tối thiểu,” đồng tác giả Massimiliano Esposito thuộc trường Đại học Luxembourg nói. “Chúng tôi định lượng chặt chẽ tác dụng của con quỷ Maxwell trên hệ bằng cách nhận dạng luồng thông tin mà nó đang tạo ra. Nhưng chúng tôi còn chứng minh rõ ràng rằng khi tính đến lượng entropy cần thiết để hiện thực hóa con quỷ Maxwell, thì nguyên lí thứ hai áp dụng cho hệ và con quỷ được hồi phục.”
Nói cách khác, entropy thật sự tăng lên ở đâu đó, nhưng không phải ở riêng chấm lượng tử thứ nhất.
“Tóm lại, hệ kết hợp (gộp luôn con quỷ) đúng là một dụng cụ nhiệt điện trong đó các gradient nhiệt được dùng để tạo ra một dòng điện,” Esposito nói. “Như vậy, tất nhiên nó tuân theo nhiệt động lực học, tức là entropy toàn phần của nó luôn luôn tăng. Tuy nhiên, nếu ta không xét đến phần hệ đang triển khai con quỷ, thì mọi thứ trông như thể phần còn lại của hệ chịu một con quỷ Maxwell phá vỡ nguyên lí thứ hai trong khi giữ nguyên phần thứ nhất.”
Trong thí nghiệm đề xuất của họ, các nhà khoa học ghép một chấm lượng tử với hai nguồn nhiệt, nó tác dụng như một transistor electron độc thân, và ghép chấm lượng tử thứ hai với một nguồn nhiệt khác. Các nhà vật lí đã chứng minh rằng chấm lượng tử thứ hai có thể được điều chỉnh để phát hiện ra trạng thái của transistor, nó hoặc là trống (0) hoặc là đầy (1). Để làm như vậy, hai chấm lượng tử phải hoàn toàn tương quan, sao cho khi chấm thứ nhất (transistor) bị đầy, thì chấm thứ hai (máy dò) trống không, và ngược lại. Khi máy dò tiến hành một hồi tiếp nhanh vô hạn và chính xác, thì hệ nhận được thông tin bổ sung ở lượng entropy.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hi vọng thí nghiệm này sẽ được thực hiện.
“Viễn cảnh thực hiện thí nghiệm này không tệ lắm,” đồng tác giả Gernot Schaller thuộc Viện Công nghệ Berlin nói. “Một kính hiển vi quét chui hầm có thể được biến đổi thành một dụng cụ con quỷ, trong khi tốc độ chui hầm cần thiết có thể được xử lí, sử dụng một cấu trúc chấm lượng tử phức tạp hơn.”
Tham khảo: DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.040601
Nguồn: PhysOrg.com
