In laboratorio, due misure trasformano informazione nascosta in lavoro

Immaginate una particella trattenuta da un fascio laser finemente focalizzato, che oscilla in un liquido che non è acqua ma una densa rete di microstrutture simile a spaghetti che si riorganizza intorno a essa. È la scena allestita dai fisici dell'Università di Costanza e dell'Istituto Max Planck per la dinamica e l'auto-organizzazione di Gottinga per verificare in modo nuovo un'idea antica.

Il demone di Maxwell è un guardiano microscopico immaginario, introdotto più di 150 anni fa, che usa informazioni sulle molecole per separarle: apre una piccola porta lasciando passare in una direzione le molecole veloci e nell'altra quelle lente, e un compartimento si riscalda mentre l'altro si raffredda. Il paradosso apparente è stato risolto riconoscendo che l'informazione è una risorsa fisica che può essere convertita in lavoro. Questa intuizione ha alimentato l'interesse per i motori a informazione, macchine microscopiche alimentate dall'informazione anziché da differenze di temperatura.

Il problema è che nessun demone dispone di informazioni complete. Anche per una singola particella, posizione e velocità non possono essere misurate con precisione assoluta. E nei fluidi in cui si prevede che operino le macchine microscopiche, come le soluzioni polimeriche e i fluidi biologici, la microstruttura interna determina il moto della particella restando però fuori portata. Man mano che la particella si muove, deforma la rete, e la rete reagisce spingendola indietro. La particella può essere seguita con precisione, ma le dinamiche interne della rete non possono essere osservate direttamente; così una parte delle informazioni necessarie al controllo ottimale resta nascosta e il lavoro estraibile diminuisce.

I ricercatori recuperano una parte di queste informazioni nascoste con una doppia misurazione: registrano la posizione della particella due volte, separate da un ritardo temporale controllato. Confrontando i due istantanei si ottengono informazioni indirette sullo stato del mezzo circostante, estendendo la conoscenza del demone oltre un singolo momento. Regolando il ritardo, il team dimostra che l'energia immagazzinata in queste dinamiche nascoste può essere recuperata e trasformata in lavoro utile. A determinate condizioni, la doppia misurazione consente di estrarre più lavoro di quanto farebbe una singola misurazione. Le informazioni disponibili non indicano una cifra per questo guadagno.

Per ora il lavoro è un passo verso i motori a informazione microscopici ciclici, che potrebbero funzionare senza differenze di temperatura né altri gradienti energetici su larga scala. Ciò conta soprattutto su scale molto piccole, dove è sempre più difficile mantenere gradienti termici stabili. I beneficiari sarebbero le macchine microscopiche che dovrebbero operare nei fluidi complessi, a condizione che il principio passi da una particella intrappolata in un liquido di laboratorio a un dispositivo funzionante. Non è indicata alcuna tempistica, e l'esperimento è una dimostrazione, non una macchina.