Dette vil gjøre dataprosesser 1000 ganger mer energieffektive
Les om hvordan «Maxwells demon» og kvantemekanikken bak kan brukes til å forbedre fremtidens elektronikk.
«Maxwells demon»
Se for deg en gassbeholder som er delt i to på midten av en skillevegg:
I den ene delen er det kald gass, der molekylene beveger seg tregt og har lite bevegelsesenergi, og i den andre delen er det varm gass der molekylene beveger seg raskt og har mye bevegelsesenergi.
Hvis denne skilleveggen fjernes vil de ulike molekylene blandes sammen og kollidere med hverandre. Noe av bevegelsesenergien fra de raske molekylene vil overføres til de tregere partiklene, og ganske raskt vil alle molekylene nå et punkt der de har omtrent samme mengde bevegelsesenergi, og temperaturen i gassbeholderen vil nå et middelpunkt.
Se nå for deg dette: I skilleveggen er det en liten luke som lar enkeltmolekyler passere fra den ene delen av beholderen til den andre. Denne luken er kontrollert av det som har blitt kalt «Maxwells demon», et lite vesen som er i stand til å se de ulike molekylene. Når for eksempel et raskt molekyl fra den kalde siden nærmer seg, åpner demonen luken og slipper det over til den varme siden, med de andre raske molekylene. Og omvendt; trege molekyler fra den varme siden slippes over til den kalde siden, med de andre trege molekylene.
Resultatet: Den varme siden av beholderen blir enda varmere, og den kalde siden blir enda kaldere.
Vi må lære litt fysikk først hvis vi skal forstå Maxwells demon, så kommer vi mer til saken på siden 2, der det også er video »
Gammelt tankeeksperiment
Dette er et tankeeksperiment som ble skapt av fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) rundt år 1870, og beskriver hvordan termodynamikkens andre lov kan brytes, i alle fall rent hypotetisk.
Termodynamikkens andre lov sier at når noe går fra orden til uorden, er det veldig vanskelig å gå tilbake til orden. Hvis du for eksempel blander én kopp varmt vann og én kopp kaldt vann i en beholder, er det svært lite sannsynlig at molekylene tilfeldigvis kommer til å sortere seg selv, slik at vi får én kald og én varm halvdel. Rent teoretisk er det mulig – bare se til setningen om uendelig mange aper – men i praksis er det umulig.
– Entropien i et system kan ikke avta
Nå begynner dette å bli ganske komplisert for de av oss som ikke har studert fysikk, så vi tok en tur til Universitetet i Oslo (UiO) for å snakke med førsteamanuensis ved Fysisk Institutt, Joakim Bergli. Bergli arbeider med teoretisk faststoffysikk og har blant annet arbeidet spesielt med kvantetransport og kvanteinformasjonsteori. Nei, vi vet heller ikke helt hva det betyr, men når det er snakk om Maxwells demon er det ikke mange som forstår det bedre enn Bergli.
– Maxwell var interessert i å forstå entropien, eller termodynamikkens andre lov som sier at entropien ikke kan avta. Entropien er et slags mål på uorden i et system, forklarer han, og gir et eksempel:
– Hvis du for eksempel dytter en kaffekopp utfor bordet slik at den faller ned og blir knust, starter den ordnet, og blir uordnet. Og du vil aldri se at de bitene som ligger på gulvet flyr sammen og blir til en fin kaffekopp igjen, sier han.
Temperatur er bevegelse, bevegelse er energi
At noe – enten det er luften i en beholder, et viskelær på et skrivebord eller en te-vannet som trekker – holder en viss temperatur, betyr at molekylene det består av beveger seg. Jo høyere temperaturen er, jo mer beveger molekylene seg, jo mer energi har det.
– Så selv om noe ligger helt stille er det jo lagret en viss varmeenergi i det, og man kunne prøve å utnytte den energien, man kunne ønske seg å bruke den. Når vi ser mikroskopisk på det er varmeenergi bare bevegelsesenergi fra de mikroskopiske bestanddelene, atomene og molekylene som objektet er bygget opp av. Forskjellen er at når du har noe som beveger seg bortover har du en ordet bevegelse, mens når du har denne som bare er varm er det en uordnet bevegelse, og det legger en begrensning på hvor mye av den energien vi kan gjøre nytte av, sier Bergli.
Han forklarer at når vi har en ordnet bevegelse kan vi for eksempel stoppe den opp og omforme all den energien som var der til noe annet. Men hvis bevegelsen er uordnet, slik som det altså er med noe som bare har en temperatur, så kan vi ikke uten videre bruke den energien.
– Tenk deg at istedet for bensin til bilen så kunne du bare helle på varmt vann og kjøre avgårde, og bare sitte igjen med en isklump til slutt. Da har du tatt varmeenergien direkte fra vannet og brukt den til å kjøre med, uten energitap, men det kan du ikke gjøre uten videre. Og det var det Maxwell ville forsøke å forstå, altså hvorfor dette ikke går, sier Bergli.
Demonen satt i arbeid
«Maxwells demon» kan altså heve temperaturen i den ene delen av gassbeholderen, og senke temperaturen i den andre, bare ved hjelp av den energien som allerede finnes i gassen. Alt som trengs er informasjon om molekylenes bevegelse, og et svært nøyaktig system som kan sortere dem. Da vil du for eksempel kunne bruke et kaldt objekt til å heve temperaturen til et varmt objekt.
– På den måten lurte Maxwell på om han kunne lure den loven som sier at du ikke kan få ut all den energien som er lagret i en varm gjenstand. Da er det ikke noe uorden lengre, da er det en ordnet bevegelse, og entropien er lik null, forklarer Bergli.
Men hvordan et slikt system skulle fungere i praksis er et spørsmål som fysikere har stilt seg helt siden Maxwell først kom med tankeeksperimentet. Hvordan kan vi lage et system som sorterer molekylene? Kan vi utnytte energien det skaper? Trenger systemet energi utenfra? Og kan vi bruke det til noe mer enn å bare sortere varm og kald gass?
Ikke lenger et tankeeksperiment
– Jeg tror at det for det meste var en tankelek for å forstå prinsippene og de grunnleggende tingene ved termodynamikken, sier Bergli, og forteller om ulike løsningsforslag på denne tankeleken.
Et sentralt problem som fysikeren Rolf Landauer (1927-1999) påpekte er at systemet trenger et visst minne for å fungere. Hvis vi skal lage «demonen» i et fysisk system så er den nødt til å hente ut informasjon om molekylene for å bestemme hvilke som skal slippes gjennom og hvilke som skal stenges inne. Den informasjonen må lagres i et fysisk minne, minnet kommer til å bli fult, og da må informasjonen slettes for å lage plass til ny informasjon. Denne sletteprosessen krever like mye energi som vi kan hente ut fra molekylene, og dermed går vi i energimessig i null.
– Vi tror fortstatt ikke at vi kan hente ut mer energi enn vi putter inn, så det er ingen som tror nå at vi kan bruke dette som energikilde. Men det som er endret er at istedet for å være et tankeeksperiment, er det et reellt eksperiment, sier Bergli.
Artikkelen fortsetter under videoen.
Flytter elektroner - én grad over det absolutte nullpunkt
Et forskningsprosjekt ved Aalto-universitetet i Finland har lenge jobbet med problemstillingene rundt «Maxwells demon». Prosjektet inkluderer forskere fra mange europeiske land, deriblant to fra Norge. Den ene er Yuri Galperin, den andre (du gjettet det kanskje) er Joakim Bergli fra UiO.
De fysiske testene og eksperimentene foregår i Finland, mens Bergli og de andre forskerene som ikke er i Finland bidrar med innspill og analyser. Til forskjell fra Maxwells tankeeksperiment er det ikke snakk om å sortere varm gass fra kald gass, eller varmt vann fra kaldt vann, men å bruke energien fra enkeltpartikler som har en temperatur over det absolutte nullpunkt, og dermed bevegelsesenergi.
For å greie å kontrollere denne hoppingen foregår eksperimentet på et kuldelaboratorium som holder en temperatur på én Kelvin (K) (-272,15°C); altså én grad over det absolutte nullpunkt. Ved null Kelvin, altså det absolutte nullpunkt, stopper all termisk bevegelse, så ved én Kelvin vil det være termisk bevegelse, bare veldig lite.
– Men det er nødvendig for å kunne utføre eksperimentet, ellers blir de tilfeldige bevegelsene i atomene for store, slik at du ikke klarer å holde kontroll på elektronene. Da hopper de på en måte for mye rundt, sier Bergli.
Elektroner som hopper rundt ukontrollert er ikke en problemstilling vi møter på til daglig, men vi forstår poenget. Vi forestiller oss at en slik samling av partikler og atomer blir litt som en hissig sverm med bier, og hvis vi skal ha sjans til å observere enkeltindivider er det greit hvis de er litt «sedate». Eventuelt at det å følge en enkelt sild i en stim er lettere hvis de svømmer i slush.
Elektroniske demoner og hoppende elektroner
– De har på en måte en liten krets, hvor det er to små «korn», hvor det kan sitte ett elektron. Altså, disse «kornene» er jo laget av atomer, så det er jo masse elektroner der, men det er bare ett overskuddselektron, forklarer Bergli.
La oss for enkelhets skyld kalle disse kornene «punkt A» og «punkt B».
Det Bergli forklarer videre har å gjøre med kvantemekanisk tunnelering, noe som for en lekmann bokstavelig talt fremstår like håndgripelig som det høres ut som. Vi legger ved Store Norske Leksikons forklaring til høyre her, og hvis du som leser med hånden på hjertet kan si at du forstår den, så forstår du mer enn oss. Vi andre får nøye oss med den enkle versjonen, som er at elektronet kan hoppe mellom punkt A og punkt B.
Og selv om det er snakk om elektroner i stedet for gassmolekyler, er det fortsatt behov for en «demon» som kan se hvor overskuddselektronet er. Demonen i dette tilfellet er en veldig følsom detektor som kan måle ladningen til ett elektron, slik at de vet om elektronet sitter på punkt A eller B.
Rundt punkt A og B er en elektrode som går i nærheten av hvert av punktene, uten å være i kontakt med dem. Siden elektronet er negativt ladet vil det trekkes mot den siden av elektroden som er positivt ladet, så ved å regulere spenningen i denne elektroden kan forskerne påvirke hvor mye kraft som trengs for å flytte elektronet fra A til B, eller fra B til A.
Dersom elektronet sitter på punkt B, kan forskerne regulere spenningen slik at elektroden er positivt ladet ved punkt B. Siden elektronet da trekkes mot den positive ladingen, har det lavere potensielle energi, siden det nå må tilføres mer energi for å flytte det.
– Og når vi har gjort det er det bare å la det stå, siden det befinner seg i en materie med temperatur, er elektronet omgitt av andre atomer og partikler som kolliderer rundt. Disse vil noen ganger gi elektronet en liten «dytt» av energi, og innimellom vil det gjøre at elektronet hopper fra et punkt til et annet, sier Bergli.
Siden spenningen i elektroden gjør at det kreves mer energi for å flytte elektronet, er arbeidet som utføres av partiklene større, enn hvis spenningen hadde vært omvendt. På en måte kan vi si at når elektronet hopper fra det positivt ladede punktet som det er tiltrukket av, til det negativt ladede, får de elektrisk ladde partiklene i elektroden et lite «dytt», slik at noe av energien som skapes i prosessen sendes tilbake.
– Netto, i gjennomsnitt, så vil jeg finne ut at jeg kan få ut litt mer energi enn det som vi puttet inn, og den energien er kommet fra atomene. Så netto så har jeg redusert energien til atomene med noe, og på en måte fått ladet opp batteriet littegrann, forklarer Bergli, men legger til at dette energioverskuddet går tapt i vedlikeholdet av elektronsensorens minne, slik som den tidligere nevnte Landauer var inne på i sin tid.
Handler ikke om energiproduksjon, men reduksjon
Å løse Maxwells tankeeksperiment er en god demonstrasjon på at man kan kontrollere slike prosesser, men det å flytte rundt på enkeltpartikler i temperaturer nær det absolutte nullpunkt har liten praktisk nytteverdi i seg selv.
– Hovedprinsippet med dette er jo egentlig ikke å lage en «Maxwells demon», jeg tenker at det er mer én del av det som er en slags kul ting å vise frem. Det som er mer spennende er at vi prøver å utvikle elektronikk som ikke kaster bort energi på noe punkt, sier Bergli.
Alle som har satt sammen en PC, eller sittet med en bærbar datamaskin på fanget vet at de genererer varme. Varmen er et avfallsprodukt av energien som komponentene i en datamaskin bruker, noe som betyr at energien vi putter inn i datamaskinen for at den skal utføre oppgaver og prosessere data ikke utnyttes optimalt. I tillegg må vi bruke enda litt energi for å bøte på nettopp dette, og drive kjølesystemer (for eksempel vifter) for å holde temperaturen nede.
– Et av problemene med moderne elektronikk er at datamaskiner må kjøles veldig mye, slik at det er vanskelig å øke klokkefrekvensen på prosessoren uten at den varmes opp for mye. Det andre er at den varmen som du produserer er jo bare energi inn som har blitt kastet bort, så da har du jo brukt mer strøm enn det som egentlig er hensiktsmessig. Så hvis du kunne lage noe som ikke utvikler så mye varme vinner vi to ting: Vi kan gjøre prosessoren raskere uten at de smelter, og vi trenger mindre strøm for å drive dem, sier Bergli.
Det er langt igjen, men han mener at eksperimentene som er utført ved Aalto-univsersitetet er gode nok til å vise at det går an, og at det viser en klar vei mot elektronikk som bruker mindre strøm. Tenk deg hvis batteriet på den bærbare datamaskinen din, som du må lade hver dag, kunne vare i over en uke?
– Det er jo egentlig ikke så mye, da er det bare snakk om en forbedringsfaktor på omtrent 10, og allerede det er en kjempeforbedring, sier Bergli.
På papiret kan man se for seg en forbedringsfaktor på opp til én million, men Bergli påpeker at akkurat det er mer en teoretisk forbedring som ikke vil bli praktisk mulig. Det er kanskje tenkelig at man en gang kan komme i nærheten, men da under svært kontrollerte forhold, i laboratorier nær det absolutte nullpunkt. Ikke i nettbrettet på fanget ditt.
– Tusen ganger er tenkelig at kan være praktisk mulig, men da er det bare selve operasjonene det er snakk om. Det er jo for eksempel ikke ønskelig å gjøre en telefonskjerm tusen ganger svakere, så det får vi ikke gjort så mye med. Vi trenger en viss mengde energi for å kunne oppfatte informasjonen. Det samme gjelder enheter som sender signaler, som en mobiltelefon, for da må jo disse signalene sendes med en viss styrke, sier han.
Superstoffet grafén kan også hjelpe oss å lage raskere datamaskiner i fremtiden »
Kan spare mange kraftverk i fremtiden
Bergli påpeker at verdens datamaskiner, supercomputere, og enorme datasentre står for en betydningsfull del verdens energibehovet. Og vi ser ikke for oss at det blir færre datamaskiner i tiden fremover.
– Så hvis vi kan redusere det energibehovet på noen måte kan vi spare mange kraftverk, men tidsaspektet tør jeg ikke tenke på. Dette eksperimentet er foreløpig det fremste vi klarer, men det er et bevis på at det er mulig. Men bare tenk 50 år tilbake på hva de hadde den gangen; jeg tror ikke de hadde drømt om alt det vi har i dag. Så 50 år tror jeg er ganske langt perspektiv i denne sammenhengen, sier Bergli.
Neste skritt vil ifølge Bergli være å ta med flere detaljer i eksperimentene, og etterhvert som det blir mer komplisert må prosessene simuleres på datamaskiner, ut fra de prinsippene de har forstått ved å analysere de enklere modellene.
– Ofte er det slik at man først analyserer en enkel problemstilling, og når man forstår litt mer om hvordan den virker kan man legge til mer kompliserte effekter. Men det har vi ikke gjort foreløpig da, så langt har det vært mange nok interessante ting å studere til at vi har klart oss med prinsippene, sier han.
Mer partikkelfysikk? Hos CERN frontkollidelerer partikler i én milliard kilometer i timen; klikk her for å lese om hvordan enorme Large Hadron Collider fungerer »
