Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet nanotekniikalla pienikokoisen jäähdytyslaitteen, joka voi auttaa esimerkiksi tulevaisuuden tietokoneiden toteutuksessa. Tutkimus ei olisi ollut mahdollista ilman Aalto-yliopiston kylmälaboratoriossa saavutettavia olosuhteita.
Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet rakentamaan nanoteknologiaa hyödyntäen autonomisen Maxwellin demonin, joka mahdollistaa termodynamiikan mikroskooppisen analysoinnin.
Demonista tekee autonomisen eli omavaraisen se, että se hoitaa sekä mittaamisen että palautteen antamisen ilman ulkopuolista apua. Vuonna 1867 skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell haastoi termodynamiikan toisen pääsäännön, jonka mukaan entropian, eli epäjärjestyksen on kasvettava suljetussa systeemissä.
Toimintaa on teoriatasolla pohdittu melkein puolitoista vuosisataa, mutta kokeellisesti sen testaaminen on ollut viime vuosiin saakka mahdotonta. Aallossa saavutetut tulokset ovat perustutkimusta, mutta ne voivat viitoittaa tietä muun muassa palautuvaa laskentaa (reversible computing) hyödyntäville tietokoneille.
”Rakentamamme järjestelmä on yhden elektronin transistori, joka muodostuu pienestä metallisaarekkeesta, joka on yhdistetty kahteen johtimeen suprajohtavista materiaalista tehdyillä tunnelikytkennöillä”, kertoo akatemiaprofessori Jukka Pekola.
Kuva: Autonominen Maxwellin demoni. Kun demoni havaitsee elektronin tulevan saarekkeelle (1.), se vangitsee elektronin positiivisella varauksella (2.). Kun demoni huomaa elektronin poistuvan saarelta (3.), se palauttaa negatiivisen varauksen (4.). Lähde: Jonne Koski.
Järjestelmään kytketty demoni on myös yhden elektronin transistori, joka seuraa järjestelmän elektronien liikettä. Kun elektroni tulee saarekkeelle, demoni vangitsee sen positiivisella varauksella; kun elektroni lähtee saarekkeelta, demoni hylkii sitä negatiivisella varauksella ja pakottaa sen liikkumaan ylämäkeen, mikä laskee järjestelmän lämpötilaa,
”Elektroninen demoni reagoi ja antaa palautteen nopeasti, alle mikrosekunnin viiveellä, ja sillä voidaan tehdä lukemattomia toistokokeita, kun taas maailmalla molekyyleistä demoneita tehneet kollegat joutuvat tyytymään joihinkin satoihin toistoihin”, Paavola sanoo.
Tutkimusta aiotaan myös laajentaa kvanttitietokoneiden tutkimukseen. ’’Koska työskentelemme suprajohtavien virtapiirien kanssa, pystymme valmistamaan kvanttitietokoneiden kubitteja. Seuraavaksi haluammekin tarkastella näitä samoja ilmiöitä kvanttitasolla, Pekola paljastaa.
Maxwellin demonien tutkimuksen tulokset on julkaistu Physical Review Letters -tiedejulkaisussa, ja ne ovat osa Aalto-yliopistossa tohtorikoulutuksessa olevan Jonne Kosken väitöskirjaa.
Artikkeli: J. V. Koski, A. Kutvonen, I. M. Khaymovich, T. Ala-Nissilä and J. P. Pekola ”On-chip Maxwell’s demon as an information-powered refrigerator”. Lue netissä julkaistu abstrakti (LINKKI) ja pitempi Maxeellin demoneja taustoittava artikkeli (LINKKI).