マクスウェルの悪魔によって駆動される発電デバイス
Power generator driven by Maxwell’s demon
2017年5月16日 Nature Communications 8 : 15310 doi: 10.1038/ncomms15301
マクスウェルの悪魔は、系のエントロピーを減少させて自由エネルギーを生成する架空の存在である。マクスウェルの悪魔が提唱されてから約150年経った今日では、情報熱力学に関する理論的研究によってマクスウェルの悪魔の物理的妥当性が説明され、実験によってマクスウェルの悪魔によるエネルギーの生成が実証されている。マクスウェルの悪魔に課された次の課題は、生成した自由エネルギーを、周囲に作用する仕事に変換することである。今回我々は、マクスウェルの悪魔が、小型トランジスター内をランダムに動く電子を用いて電流・電力を生成し出力できることを実証した。電子にとってのゲートとして機能する2つのトランジスターで電子の軌跡を制御することで電子の動きに方向性が生じることが、電子運動の実時間観測によって示された。また、電子が閉じ込められている空間を小さくすることによって発電量が増大することが、数値計算によって明らかになった。こうした結果は、トランジスターの小型化によってマクスウェルの悪魔の出力が増大しうることを示唆している。
Corresponding Authors
Maxwell’s demon is an imaginary entity that reduces the entropy of a system and generates free energy in the system. About 150 years after its proposal, theoretical studies explained the physical validity of Maxwell’s demon in the context of information thermodynamics, and there have been successful experimental demonstrations of energy generation by the demon. The demon’s next task is to convert the generated free energy to work that acts on the surroundings. Here, we demonstrate that Maxwell’s demon can generate and output electric current and power with individual randomly moving electrons in small transistors. Real-time monitoring of electron motion shows that two transistors functioning as gates that control an electron’s trajectory so that an electron moves directionally. A numerical calculation reveals that power generation is increased by miniaturizing the room in which the electrons are partitioned. These results suggest that evolving transistor-miniaturization technology can increase the demon’s power output.
