Fonte: Gaianews.it
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L’ultimo numero della rivista Physical Review Letters contiene un interessante studio condotto da un gruppo di ricercatori dell’Istituto di Tecnologia di Berlino. L’articolo presenta per la prima volta la costruzione di un congegno che, in un contesto quantistico e non più classico, funziona come il diavoletto di Maxwell che permette in pratica di modificare la produzione di entropia del sistema controllato non violando, nel complesso, il secondo principio della termodinamica. L’esperimento è descritto come un’implementazione minimale del diavoletto di Maxwell in cui due punti quantici interagenti sono collegati a serbatoi termici; un punto assume il ruolo del diavoletto e l’altro quello del sistema controllato.
In questo modo i fisici hanno dimostrato che, teoricamente, il “diavoletto quantistico” può modificare la produzione di entropia del sistema controllato non violando, nel complesso, il secondo principio della termodinamica. Per quale motivo? Procediamo con ordine.
Il secondo principio della termodinamica dice che l’entropia di un sistema chiuso non può diminuire. In modo più esteso, esso postula che il calore si trasferisce sempre dal corpo più caldo a quello più freddo, mai viceversa, e questo accade fin quando l’equilibrio termico non viene raggiunto. Se prendiamo un ghiacciolo dal freezer e lo mettiamo in una pentola di acqua calda, il ghiacciolo comincia a sciogliersi e l’acqua si raffredda un po’.
Benché non esistano leggi della meccanica che lo vietino, non accadrà mai – o, meglio, è altamente improbabile – che il calore vada in senso inverso rendendo il ghiacciolo più freddo e l’acqua più calda. Parafrasando Albert Einstein, anche considerando la sua natura statistica, il secondo principio della termodinamica sembra l’unica teoria fisica universale e impossibile da confutare.
Cosa accadrebbe se si potesse controllare il flusso di calore? Ad esempio, intervenendo sul comportamento delle particelle in modo da produrre una variazione di temperatura tra due corpi a cui non corrisponda una spesa di energia e una diminuzione di entropia? L’esperimento mentale di James Clerk Maxwell – noto come il diavoletto di Maxwell – intende fare proprio questo.
Osserviamo il diavoletto di Maxwell all’opera. Prendiamo due contenitori A e B riempiti con un gas identico e alle stesse temperature collegati da una valvola. Il diavoletto mantiene chiusa la valvola osservando il moto delle molecole nei contenitori. Quando una molecola più veloce delle altre si dirige verso la valvola, il diavoletto la apre e lascia che la molecola passi dal contenitore A al contenitore B. La velocità media delle molecole in A diminuisce mentre in B aumenta: all’aumento della velocità media delle molecole corrisponde un aumento della temperatura.
A livello macroscopico sembra impossibile creare fisicamente un congegno che si comporti come il diavoletto di Maxwell, almeno non senza aumentare in qualche luogo l’entropia. Questa considerazione ha spinto gli studiosi a cercare risposte con approcci alternativi: è stato già dimostrato che, su scala nanometrica, il diavoletto di Maxwell potrebbe essere in grado di fare il suo lavoro con molta meno energia di quanto si pensasse. Mai con energia pari a zero.
Il regno dei quanti è l’ultimo baluardo di speranza per creare un congegno che si comporta come il diavoletto di Maxwell. Lo studio condotto a Berlino dal team di Philipp Strasberg si spinge in questa direzione. Sappiamo che su scala atomica tutti i processi fisici sono reversibili e che le regole della fisica classica perdono la loro validità.
Dato che nulla può essere completamente in quiete e che ogni particella subatomica avrà sempre un minimo di energia, anche se raffreddata fino allo zero assoluto, gli scienziati hanno pensato di costruire un congegno sfruttando le proprietà dei punti quantici.Un punto quantico (o quantum dot) è una nanostruttura spesso formata da materiali conduttori.
Il team di Philipp Strasberg ha connesso un punto quantico a due serbatoi, il primo agisce come un singolo elettrone o transistor, mentre il secondo punto è solo connesso a un altro serbatoio. In questo modo hanno mostrato che il secondo punto può essere sintonizzato per rilevare lo stato del transistor, vuoto (0) o pieno (1). Per fare questo, i due punti devono essere perfettamente correlati, in modo che quando il primo punto (transistor) si riempie, il secondo punto (detector) viene svuotato e viceversa.
Che dire dell’entropia? “Nel suo complesso, il sistema combinato (compreso il diavoletto) è solo un dispositivo termoelettrico in cui sono utilizzati gradienti termici per generare una corrente elettrica. Come tale, lo fa naturalmente nel rispetto delle leggi della termodinamica, in modo che l’entropia totale è sempre crescente”, ha spiegato Massimiliano Esposito, coautore della ricerca.
Dato che il modello prevede uno scambio di energia tra il “diavoletto quantistico” e il sistema stesso, il bilancio energetico totale può subire una piccola modifica anche quando l’entropia aumenta fortemente. Gli studiosi hanno dimostrato che l’entropia aumenta da qualche parte ma solo se consideriamo il sistema come un tutto. Se scomponiamo il sistema nelle sue parti, e isoliamo il punto quantico che funge da “diavoletto quantistico” (il transistor), tutto fa pensare che la restante parte del sistema violi il secondo principio della termodinamica.
Le speranze che questo esperimento possa essere perfezionato e ulteriormente implementato sono legate alle varie applicazioni che potrebbe avere, dalla trasmissione delle informazioni alla costruzione di microscopi a scansione sempre più sofisticati.
Bibliografia: Philipp Strasberg, et alii,Thermodynamics of a Physical Model Implementing a Maxwell Demon, in “Physical Review Letters”, 110, (2013): DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.040601.
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