Ohm's law for information revealed by a skyrmion Maxwell's demon

Nell'era dell'intelligenza artificiale, la sfida più pressante per l'informatica non è solo rendere le macchine più veloci, ma renderle più efficienti. Ogni calcolo genera calore e, man mano che i dispositivi si rimpiccioliscono, questo costo energetico diventa un collo di bottiglia. Per risolvere questo problema, gli scienziati si stanno rivolgendo a un ramo della fisica chiamato termodinamica dell'informazione. Questo campo esplora la profonda connessione tra informazione ed energia, trattando l'informazione non come un concetto astratto, ma come una quantità fisica che può essere spostata e trasformata, proprio come l'elettricità o l'acqua. Un'idea centrale in questo campo è il "demone di Maxwell", un esperimento mentale del XIX secolo in cui un essere minuscolo e intelligente smista particelle per creare ordine senza consumare energia, violando apparentemente le leggi della fisica. La scienza moderna ha chiarito che questo demone non viola le leggi; piuttosto, paga il suo smistamento utilizzando l'informazione. Il demone misura un sistema, acquisisce conoscenza e usa tale conoscenza per estrarre lavoro. Questo processo crea un flusso di informazione, guidato da una forza simile alla tensione in un circuito elettrico. Per decenni, i teorici hanno previsto che questo flusso di informazione dovrebbe seguire una regola semplice, molto simile alla legge di Ohm, la quale stabilisce che la corrente elettrica è proporzionale alla tensione. Tuttavia, dimostrare questa relazione in un esperimento reale è stato incredibilmente difficile perché richiede di tracciare cambiamenti microscopici in sistemi complessi con estrema precisione.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato con successo questa relazione utilizzando un sistema fisico unico: gli skyrmion magnetici. Questi sono piccole strutture magnetiche rotanti, di circa uno o due micrometri di diametro, che si formano in sottili film magnetici. A differenza delle particelle solide, gli skyrmion non comportano il movimento di materia; sono invece pattern di magnetismo che possono muoversi e interagire. Alla temperatura ambiente, questi skyrmion oscillano casualmente a causa dell'energia termica, un comportamento noto come moto browniano. I ricercatori hanno creato un dispositivo con due fili paralleli, ciascuno dei quali ospita un singolo skyrmion. Uno skyrmion funge da "demone" e l'altro da "sistema". Entrambi sono confinati in piccole aree rettangolari dove possono esistere in una di due posizioni: sopra o sotto. I ricercatori hanno utilizzato un microscopio per osservare lo skyrmion del sistema e hanno applicato una corrente al filo che ospita lo skyrmion demone. Questa corrente ha agito come un meccanismo di feedback: quando il demone si spostava in una posizione specifica, i ricercatori regolavano la corrente per incoraggiare lo skyrmion del sistema a muoversi nella direzione desiderata. In questo ciclo di feedback, non viene applicata alcuna forza esterna diretta allo skyrmion del sistema; invece, il demone usa l'informazione sullo stato del sistema per guidarne il movimento, convertendo efficacemente l'informazione in movimento fisico.

L'esperimento ha rivelato che il flusso di informazione si comporta in modo sorprendente come una corrente elettrica. Man mano che i ricercatori aumentavano l'intensità del segnale di feedback, il flusso di informazione aumentava in proporzione diretta. Questa relazione lineare ha confermato che il trasporto di informazione segue una regola analoga alla legge di Ohm, dove la "corrente di informazione" è guidata da un' "affinità di informazione", una forza generata dalla conoscenza del demone. I ricercatori hanno misurato questo flusso contando quanto spesso gli skyrmion cambiavano posizione in senso orario rispetto al senso antiorario. Hanno scoperto che il feedback creava un flusso costante e unidirezionale di informazione attorno a un anello, proprio come una batteria guida la corrente attraverso un filo. Inoltre, hanno scoperto che questo flusso non è perfettamente fluido; incontra resistenza e scattering, in modo simile a come gli elettroni urtano gli atomi in un filo. Per descrivere accuratamente il sistema, il team ha dovuto modificare le leggi standard della teoria dei circuiti. Hanno scoperto che la somma delle forze attorno all'anello non è zero, come sarebbe in un semplice circuito elettrico, perché il feedback del demone introduce una forza non conservativa che non può essere descritta da un semplice potenziale.

Lo studio ha anche quantificato l'efficienza energetica di questo processo. I ricercatori hanno determinato che l'interazione tra i due skyrmion crea un bias naturale nel sistema, che hanno misurato come un costo energetico di circa 0,47 volte l'energia termica a temperatura ambiente. Questo valore corrispondeva alle loro previsioni teoriche, confermando che il flusso di informazione è guidato dall'interazione tra il feedback del demone e la repulsione naturale tra gli skyrmion. Analizzando i dati, il team ha calcolato un valore per la "conduttanza dell'informazione", che descrive quanto facilmente l'informazione fluisce attraverso il sistema. Questo valore concordava con i calcoli teorici derivati dalle velocità con cui gli skyrmion saltano tra le posizioni. I risultati mostrano che, sebbene i circuiti di informazione possano essere modellati utilizzando familiari principi elettrici, richiedono aggiustamenti per tenere conto del modo unico in cui i portatori di informazione interagiscono e si disperdono. Questo lavoro fornisce la prima prova sperimentale che le correnti di informazione obbediscono a una legge di risposta lineare, colmando il divario tra la teoria astratta e la realtà fisica. Suggerisce che i futuri dispositivi informatici potrebbero essere progettati per sfruttare questi principi, portando potenzialmente a computer che operano con il costo energetico minimo dettato dalle leggi della termodinamica.