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14 de novembro de 2022

pelo Foundational Questions Institute, FQXi

Muito ruído de fundo geralmente atrapalha o trabalho. Mas os físicos desenvolveram um motor em microescala - feito de uma conta de vidro - que pode não apenas suportar a influência perturbadora do ruído, mas também aproveitá-lo para funcionar com eficiência. Seu experimento é relatado na revista Physical Review Letters e foi selecionado pela revista como um destaque de pesquisa.

Na vida cotidiana, estamos familiarizados com motores e motores que consomem combustível para se mover de maneira direcionada e, assim, realizar um trabalho útil. Mas as coisas são mais complicadas no mundo microscópico, onde o ruído na forma de calor pode facilmente arruinar as coisas.

"O calor faz os componentes de pequenas máquinas balançarem para frente e para trás o tempo todo", explica o autor sênior John Bechhoefer, físico quântico da Simon Fraser University em Burnaby, British Columbia, e membro do Foundational Questions Institute, FQXi, um think tank de física. . Normalmente, o efeito desse ruído térmico do calor no ambiente é reduzir a quantidade de trabalho útil que um pequeno motor pode produzir.

Mas existe uma família especial de máquinas microscópicas, chamadas de "motores de informação" que podem realmente explorar o ruído para se mover de maneira direcionada. Um motor de informação atua medindo pequenos movimentos causados ​​pelo calor e usando essa informação para reforçar seletivamente aqueles movimentos que seguem o caminho "certo", na direção que a máquina exige.

"Um mecanismo de informação é uma máquina que converte informação em trabalho", diz Bechhoefer.

Físicos e engenheiros estão entusiasmados com a construção de motores minúsculos de aproveitamento de informações para projetar novas máquinas microscópicas para aplicações de nanotecnologia. "Há um grande interesse em se inspirar nas máquinas biomoleculares que a natureza desenvolveu", diz o co-autor David Sivak, físico também da SFU. “Nosso trabalho avança nossa compreensão de como a informação pode ser utilizada em tais máquinas, apontando para possíveis usos para a coleta sustentável de energia ou armazenamento e computação de computador mais eficientes”.

"Um mecanismo de informação é uma máquina que converte informação em trabalho", diz John Bechhoefer.

Bechhoefer, Sivak e seus colegas da SFU Tushar Saha, Joseph Lucero e Jannik Ehrich construíram um mecanismo de informação usando uma conta de vidro microscópica – do tamanho de uma bactéria – suspensa em água. O grânulo é mantido no lugar por um feixe de laser que age como um suporte sob o feixe. As moléculas na água empurram a conta suavemente, devido a flutuações térmicas naturais no líquido, e de vez em quando a conta é esmurrada.

Aí vem o truque: quando a equipe mede que o grânulo se moveu contra a gravidade, devido a flutuações térmicas, eles levantam o suporte do laser. Nessa posição mais alta, a conta agora tem mais energia armazenada, ou energia potencial gravitacional, como uma bola levantada, pronta para cair.

A equipe não teve que gastar trabalho para erguer a partícula; esse movimento aconteceu naturalmente graças aos movimentos das moléculas de água. Assim, o motor converte o calor térmico da água em energia potencial gravitacional armazenada usando feedback sobre o movimento da esfera para ajustar a armadilha do laser. "A decisão sobre se a armadilha deve ser elevada, e se sim, quanto, depende da informação que coletamos sobre a posição do talão, que atua como o 'combustível' para o motor", diz o principal autor Saha.

Em princípio é assim que funciona, mas a implementação correta da estratégia é difícil se houver muito ruído de medição, gerado no sistema a partir do brilho do feixe de laser usado para localizar o cordão. Nesses casos, a incerteza na posição da conta para cada medição pode ser maior do que os movimentos da conta produzidos pelas moléculas de água agitadas. "O ruído de medição leva a um feedback equivocado e, portanto, degrada o desempenho", diz Saha.