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14 novembre 2022

dal Foundational Questions Institute, FQXi

Di solito, troppo rumore di fondo interrompe il lavoro. Ma i fisici hanno sviluppato un motore su scala microscopica, realizzato con una perla di vetro, che non solo può resistere all’influenza distraente del rumore, ma può sfruttarlo per funzionare in modo efficiente. Il loro esperimento è riportato sulla rivista Physical Review Letters ed è stato selezionato dalla rivista come punto culminante della ricerca.

Nella vita di tutti i giorni conosciamo motori e motori che consumano carburante per muoversi in modo mirato e svolgere così un lavoro utile. Ma le cose sono più complicate nel mondo microscopico, dove il rumore sotto forma di calore può facilmente far naufragare le cose.

"Il calore fa oscillare avanti e indietro i componenti di piccole macchine continuamente", spiega l'autore senior John Bechhoefer, fisico quantistico presso la Simon Fraser University di Burnaby, British Columbia, e membro del Foundational Questions Institute, FQXi, un think tank di fisica. . Quindi di solito l’effetto di tale rumore termico dovuto al calore nell’ambiente è di ridurre la quantità di lavoro utile che un piccolo motore può produrre.

Ma esiste una speciale famiglia di macchine microscopiche, chiamate “motori dell'informazione” che riescono proprio a sfruttare il rumore per muoversi in modo mirato. Un motore di informazione agisce misurando piccoli movimenti causati dal calore e utilizzando tali informazioni per rinforzare selettivamente quei movimenti che vanno nella direzione "giusta", nella direzione richiesta dalla macchina.

"Un motore di informazione è una macchina che converte le informazioni in lavoro", afferma Bechhoefer.

Fisici e ingegneri sono entusiasti di costruire motori così piccoli in grado di sfruttare le informazioni per progettare nuove macchine microscopiche per applicazioni nanotecnologiche. "C'è un grande interesse nel trarre ispirazione dalle macchine biomolecolari che la natura ha evoluto", afferma il coautore David Sivak, fisico anche lui della SFU. "Il nostro lavoro fa avanzare la nostra comprensione di come le informazioni possono essere utilizzate in tali macchine, indicando possibili usi per la raccolta sostenibile dell'energia o per l'archiviazione e il calcolo dei computer più efficienti."

"Un motore di informazione è una macchina che converte le informazioni in lavoro", afferma John Bechhoefer.

Bechhoefer, Sivak e i loro colleghi della SFU Tushar Saha, Joseph Lucero e Jannik Ehrich hanno costruito un motore di informazioni utilizzando una microscopica perla di vetro, delle dimensioni di un batterio, sospesa in acqua. La perlina è tenuta liberamente in posizione da un raggio laser che funge da supporto sotto il raggio. Le molecole nell'acqua spingono delicatamente la perla, a causa delle naturali fluttuazioni termiche nel liquido, e ogni tanto la perla verrà sbattuta.

Ecco il trucco: quando il team misura che la perlina si è spostata contro la gravità, a causa delle fluttuazioni termiche, solleva il supporto del laser. In questa posizione più alta la perla ora ha più energia immagazzinata, o energia potenziale gravitazionale, come una palla tenuta sollevata, pronta a cadere.

La squadra non ha dovuto spendere lavoro per sollevare la particella; quel movimento avveniva naturalmente grazie alle oscillazioni delle molecole d'acqua. Quindi il motore converte il calore termico dell’acqua in energia potenziale gravitazionale immagazzinata utilizzando il feedback sul movimento della sfera per regolare la trappola laser. "La decisione se la trappola debba essere sollevata, e in tal caso di quanto, dipende dalle informazioni che raccogliamo sulla posizione della perlina, che funge da 'carburante' per il motore", afferma l'autore principale Saha.

In linea di principio funziona così, ma implementare correttamente la strategia è difficile se c'è troppo rumore di misurazione, generato nel sistema dalla luminosità del raggio laser utilizzato per localizzare la pallina. In questi casi, l'incertezza nella posizione della perlina per ogni misurazione può essere maggiore dei movimenti della perlina prodotti dalle oscillazioni delle molecole d'acqua. "Il rumore di misurazione porta a feedback errati e quindi riduce le prestazioni", afferma Saha.