Proste jest piękne

W przeciągu tygodnia pojawiły się on-line dwie świetne publikacje, obydwie w glossy paper magazine, Nature. Wczoraj (8 marca), naukowcy z Uniwersytetu w Gottingen, opublikowali artykuł pod tytułem: Field-driven photoemission from nanostructures quenches the quiver motion (DOI). Na tapetę wzięli Niemcy znany od ponad 100 lat efekt fotoelektryczny. Oświetlając złote ostrze (około 10nm średnicy) bardzo krótkimi pulsami światła zaobserwowali coś zupełnie innego niż w zjawisku fotoelektrycznym. Słowami Georga Herinka: Usually one electron absorbs one photon, but in our experiments, we found electrons that had hitched a classical ride on the light wave itself to escape confinement on the nanoscale. W trakcie bardzo krótkiego, ale silnego pulsu światła podczerwonego, energia elektronów rośnie z intensywnością i maleje z częstotliwością światła. Zupełnie sprzeczne z efektem fotoelektrycznym! Rozmiary metalowej próbki powodują, żę część z elektronów przejmuje energię nie pojedynczych, ale tysięcy fotonów. Eksperyment ten pokazuje, że duża ilość fotonów może być traktowana jak ciągłe pole elektryczne i najważniejsze... pole takie może powodować efekt fotoelktryczny!

Drugi artykuł, genialny wręcz w prostocie, demonstruje dowód na fizyczność informacji. Experimental verification of Landauer’s principle linking information and thermodynamics (DOI) W 1961 Rolf Landauer odkrył, że usunięcie informacji prowadzi do zwiększenia entropii układu. Prościej? Każda nieodwracalna operacja na bicie informacji powoduje wydzielenie ciapła o wartości co najmniej kTln2, czyli około 3×10^{-21}J (dla temp. pokojowej). Super ważna zasada, która określa np. sprawność komputerów którymi posługujemy się na codzień. Zasada z brodą, ale eksperyment potwierdzający ten minimalny wzrost ciepła o kTln2 został przeprowadzony dopiero pare miesięcy temu.

W opisanym eksperymencie bit informacji reprezentowała malutka kulka krzemionkowa (0.002mm średnicy), umieszczona w warstwie wody pomiędzy dwoma szkiełkami mikroskopowymi. Skupiając światło laserowe w dwóch różnych miejscach w warstwie wody (tzw. optical tweezers), naukowcy stworzyli studnie potencjału odpowiadające stanom logicznym "0" (po lewej) i "1" (po prawej).

W takim układzie, wymazanie informacji reprezentuje przesuniecie kulki do studni po prawej niezależnie od stanu początkowego (0->1, lub 1->1). Można to zrobić najpierw obniżając barierę potencjału pomiędzy studniami i pochylając szkiełko mikroskopowe na prawą stronę. Kulka ląduje w studni po prawej. Co się stało z entropią układu? Na początku kulka może być w studni po lewej lub po prawej, prawdopodobieństwo takiego scenariusza dla obydwu pozycji to p=0.5, relatywnie mała entropia. Po wymazaniu informacji entropia wynosi zero, bo znamy pozycję kulki (jest po prawej). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, czynność wymazania informacji powoduje przekazanie entropii do otoczenia, czyli powoduje podgrzenie wody. Ilość wyprodukowanej entropii zależy od szybkości cyklu wymazywania. Krótsze cykle (szybsze przemieszczanie kulki) oddają więcej ciepła. Im dłuższy cykl wymazywania, tym entropia asymptotycznie zmierza do limitu Landauera, kTln2. Oczywiście pomiar oddanego ciepła odbywał się pośrednio przez monitorowanie prędkości z jaką kulka zmieniała pozycję pomiędzy dwoma studniami potencjału.