Maxwellův démon. Kredit: Project Infernos / Universitat de Barcelona.

Maxwellův démon je hypotetická potvora, kterou si v roce 1867 vymyslel James Clerk Maxwell, když dával dohromady nauku o teple a kinetickou teorii látek. Maxwell se svým démonem zabodoval a od té doby ho fyzici důkladně studují. Tenhle démon je prostě populární. Většinou jde ale o čistě teoretický výzkum, v experimentech se Maxwellův démon objevil jen velice vzácně.

Mihai Dorian Vidrighin. Kredit: Imperial College London.

Původní myšlenkový experiment zahrnuje dvě nádoby se stejným plynem o stejné teplotě. Nádoby jsou spojené dvířky, u nichž sedí rarach, tedy Maxwellův démon osobně. Molekuly plynu v nádobách mají náhodnou rychlost a Maxwellův démon jejich rychlosti pozná. Rychlé molekuly propouští dveřmi jedním směrem a pomalé zase směrem opačným. Za nějakou dobu démon v jedné nádobě nashromáždí rychlé molekuly plynu a ve druhé ty pomalé. Tím by měl vzniknout rozdíl teplot mezi nádobami, který by bylo možné využít k práci. Na první pohled to vypadá jako perpetuum mobile (druhého druhu), zdání ale klame. Démoni ve světě fyziky nefungují, a kdyby raracha nahradil nějaký stroj, tak by musel získávat informaci o rychlosti molekul, což spotřebovává energii. V reálném experimentu by sice mezi nádobami vznikl tepelný gradient, celkové ztráty energie by ale byly vyšší, než zisky z tepelného gradientu. Termodynamika nezná slitování.

Fotonický Maxwellův démon. Kredit: Vidrighin, et al. (2016). American Physical Society

Mihai Dorian Vidrighin z Oxfordu a jeho kolegové se rozhodli, že si postaví úplně první fotonickou verzi Maxwellova démona. V této verzi badatelé nahradili nádoby s plynem dvěma světelnými pulzy a neúnavného raracha zase zařízením s detektorem záření a dopřednou vazbou (feed-forward operation), které dovede nasměrovat jasnější paprsek s více fotony na jednu stranu a méně jasný paprsek s méně fotony na druhou. Na každé straně paprsek dopadne na velmi citlivou lavinovou fotodiodu (APD), která vytvoří elektrický proud. Elektrický proud z  fotodiod putuje ze dvou stran do kondenzátoru. Když z obou stran přijdou stejné pulzy energie, tak se navzájem vyruší. Pokud se ale jejich energie liší, tak dojde k nabíjení kondenzátoru.

Lavinová fotodioda. Kredit: Radovan Blažek / Wikimedia Commons.

Vidrighin a spol. to chtěli zatím jenom zkusit a nesnažili se experiment vyladit na to, aby těžil práci a poskytoval hmatatelný užitek. Je prý ale možné, že podobní Maxwellovi démoni jednou povedou k praktickým aplikacím. Vidrighinův kolega z týmu Oscar Dahlsten navrhuje, že by takové démonické aplikace mohly například snížit náklady na provoz chladících systémů. V dnešní honbě za úsporami energie to jistě zaujme nejeden výzkumný tým.

Vidrighin s kolegy doufají, že fotoničtí Maxwellovi démoni přispějí k lepšímu pochopení spojení mezi informací a termodynamikou, které je zásadní pro objasnění termodynamiky v nanoměřítku, na úrovni molekul a částic. V současné době jsme svědky bouřlivého rozvoje nanotechnologií, a právě provoz rozmanitých nanostrojků a nanočástic se musí vyrovnat s nanotermodynamikou. Podobně se v době rozvoje parních strojů museli parní inženýři devatenáctého století srovnat s makroskopickou termodynamikou.

Je to veliká příležitost, protože nanotermodynamika otevírá dveře k mnoha klíčovým technologiím, počínaje energetickými aplikacemi, až po kvantové počítače. Chce to se pořádně zhluboka nadechnout, a směle do toho.

Video:  Maxwell's Demon and the Nature of Information

Video: Oscar Dahlsten - Quantum Information: what is it and what are the open problems

Literatura
Phys.org 12. 2. 2016, Physical Review Letters 116: 050401, Wikipedia (Maxwell's demon).