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2022년 11월 14일

기초 질문 연구소(FQXi) 작성

배경 소음이 너무 많으면 일반적으로 작업에 방해가 됩니다. 그러나 물리학자들은 방해가 되는 소음의 영향을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 효율적으로 작동하도록 활용할 수 있는 유리구슬로 만든 마이크로 규모 엔진을 개발했습니다. 그들의 실험은 Physical Review Letters 저널에 보고되었으며 저널에서 연구 하이라이트로 선정되었습니다.

일상 생활에서 우리는 지시된 방식으로 움직이고 유용한 작업을 수행하기 위해 연료를 소비하는 엔진과 모터에 익숙합니다. 그러나 열 형태의 소음이 사물을 쉽게 지울 수 있는 미시 세계에서는 상황이 더 복잡합니다.

"열은 소형 기계의 구성 요소를 항상 앞뒤로 흔들리게 만듭니다."라고 브리티시 컬럼비아 버나비에 있는 사이먼 프레이저 대학교의 양자 물리학자이자 물리학 싱크탱크인 FQXi의 기초 질문 연구소 회원인 수석 저자인 John Bechhoefer는 설명합니다. . 따라서 일반적으로 환경의 열로 인한 열 소음의 효과는 작은 엔진이 생산할 수 있는 유용한 작업의 양을 줄이는 것입니다.

그러나 실제로 소음을 활용하여 지시된 방식으로 움직일 수 있는 "정보 엔진"이라고 불리는 특수한 미세한 기계 제품군이 있습니다. 정보 엔진은 열로 인해 발생하는 작은 움직임을 측정하고 해당 정보를 사용하여 기계가 요구하는 방향으로 "올바른" 방향으로 이동하는 움직임을 선택적으로 강화하는 방식으로 작동합니다.

"정보 엔진은 정보를 작업으로 변환하는 기계입니다."라고 Bechhoefer는 말합니다.

물리학자들과 엔지니어들은 나노기술 응용을 위한 새로운 미세 기계를 설계하기 위해 이러한 작은 정보 활용 모터를 구축하는 것에 흥미를 갖고 있습니다. "자연이 진화한 생체분자 기계에서 영감을 얻는 데 큰 관심이 있습니다"라고 SFU의 물리학자이자 공동 저자인 David Sivak은 말합니다. "우리의 작업은 지속 가능한 에너지 수확이나 보다 효율적인 컴퓨터 저장 및 계산을 위한 가능한 용도를 지적하면서 그러한 기계에서 정보가 어떻게 활용될 수 있는지에 대한 이해를 발전시켰습니다."

"정보 엔진은 정보를 작업으로 변환하는 기계입니다"라고 John Bechhoefer는 말합니다.

Bechhoefer, Sivak 및 SFU 동료인 Tushar Saha, Joseph Lucero 및 Jannik Ehrich는 물에 떠 있는 박테리아 크기의 미세한 유리 구슬을 사용하여 정보 엔진을 구축했습니다. 비드는 빔 아래의 지지대 역할을 하는 레이저 빔에 의해 제자리에 느슨하게 고정됩니다. 액체의 자연적인 열 변동으로 인해 물 속의 분자가 비드를 부드럽게 밀고, 자주 비드가 흔들리게 됩니다.

비결은 다음과 같습니다. 열 변동으로 인해 비드가 ​​중력을 거슬러 올라간 것을 팀이 측정하면 레이저 지지대를 높입니다. 이 더 높은 위치에서 구슬은 이제 더 많은 저장된 에너지, 즉 떨어질 준비가 된 공처럼 중력 위치 에너지를 갖게 됩니다.

팀은 입자를 들어올리기 위해 작업을 소비할 필요가 없었습니다. 그 움직임은 물 분자의 흔들림 덕분에 자연스럽게 일어났습니다. 따라서 엔진은 레이저 트랩을 조정하기 위해 비드의 움직임에 대한 피드백을 사용하여 물의 열열을 저장된 중력 위치 에너지로 변환합니다. “트랩을 올려야 하는지, 그렇다면 얼마나 올려야 하는지에 대한 결정은 엔진의 '연료' 역할을 하는 비드의 위치에 대해 수집한 정보에 따라 달라집니다."라고 수석 저자인 Saha는 말합니다.

이것이 원칙적으로 작동하는 방식이지만, 비드를 찾는 데 사용되는 레이저 빔의 밝기로 인해 시스템에서 생성되는 측정 노이즈가 너무 많으면 전략을 올바르게 구현하기가 어렵습니다. 그러한 경우, 각 측정에 대한 비드 위치의 불확실성은 흔들리는 물 분자에 의해 생성된 비드의 움직임보다 더 클 수 있습니다. "측정 노이즈는 잘못된 피드백을 초래하여 성능을 저하시킵니다"라고 Saha는 말합니다.