في عام 1867، تحدي الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كلاك ماكسويل القانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي ينص علي حتمية زيادة العشوائية «Entropy» في أي نظام مغلق. من خلال تجربته الفكرية، تصور وجود حاوية مغلقة مملوءة بالغاز، مقسمة بجدار داخلي إلى جزئين ، يوجد في هذا الجدار ممر صغير. من خلال فتح الممر وغلقه، يستطيع الكائن -أُطلق عليه اسم الشيطان نظراً لاستحالة تنفيذ التجربة في وقتها- أن يفصل الجزيئات البطيئة والباردة عن الجزيئات السريعة والساخنة كلاً على حده في أحد جانبي الحاوية، بذلك يحدث اختلاف في درجات الحرارة بين الجانبين مخالفاً بذلك قوانين الديناميكا الحرارية.
نظرياً، كانت هذه التجربة الفكرية موضع البحث قُرابة 150 عام، ولكن اختبارها تجريبياً كان مستحيلاً حتى وقت قريب. باستغلال تقنية النانو، تمكن علماء من« جامعة ألتو – Aalto University» في بناء نظام ذاتي التحكم –شيطان ماكسويل- وهو قادر علي تحليل التغيرات المتعلقة بالديناميكا الحرارية للنظام علي المستوى الميكروسكوبي. تم نشر نتائج الفريق البحثي مؤخرا في مجلة physical review letter. يعتبر هذا البحث جزء من أطروحة الدكتوراه ل « Jonne Koski » بجامعة ألطو.
يشرح البروفسيور « Jukka Pekola » التجربة قائلاً » تم بناء النظام من ترانزستور وحيد الإلكترون والذي تم تصنيعه من شريحة معدنية صغيرة متصلة بسلكين من خلال وصلة نفقية مصنوعة من مادة فائقة التوصيل. الشيطان المتصل بالنظام هو أيضا ترانزستور وحيد الإلكترون والذي يراقب حركة الإلكترونات بين جانبي الحاوية. عندما يصل الإلكترون إلى الشريحة المعدينة، يتم حبسه عن طريق شحنة موجبة. على العكس، عندما يغادر الإلكترون الشريحة، يقوم الشيطان بدفعه بشحنه سالبة مجبراً الإلكتترون التحرك إلى أعلى عكس اتجاه فرق الجهد. مما يؤدي إلى خفض درجة حرارة النظام
يقوم النظام –شيطان ماكسويل- بإجراء الحسابات والتغذية المرجعية «Feedback Loop» دون مساعدة خارجية وهذا ما يجعله ذاتي التحكم . التغيرات في درجة الحرارة هي مؤشر علي العلاقة ما بين النظام ذاتي التحكم وجانبي الحاوية، أو بشكل مبسط، مدى معرفة الشيطان عن النظام. وفقا للبروفيسور بيكولا، لم بكن هذا البحث ممكناً دون العمل في معمل منخفض الحرارة.
يضيف قائلا «نعمل في درجات حرارة شديدة الانخفاض، حيث يكون النظام معزول بشكل جيد جداً مما يجعله من الممكن تسجيل التغيرات الضئيلة جداً في درجات الحرارة»
«يُمكننا الشيطان الإلكتروني من تكرار الحسابات والتغذية المرجعية بعدد كبير جدا في وقت صغير، بينما من حاولوا بناء التجربة في المعامل الأُخرى استخدموا جزيئات لبناء الشيطان مما لم يمكنهم من القيام بتكرار الحسابات سوي عدة مئات المرات فقط»
مازال البحث حتى الآن بدائي ولكن في المستقبل، النتائج التي سيتم الحصول عليها قد تدفعنا تجاه الحوسبة العكسية.
يصرح بيكولا في النهاية «بينما نعمل مع دوائرة من موصلات فائقة، إنه من الممكن أيضاً لنا أن نُنشأ وحدات تخزين كمية يمكن استخدامها في الحواسب الكمية. أيضا، نريد أن ندرس هذه الظاهرة علي المستوى الكمي»
صورة توضيحية لفكرة عمل النظام الآلي :
1-رصد الشيطان للإلكترون أثناء دخوله.
2-يقوم بحبس الإلكترون عن طريق شحنة موجبة.
3-أثناء مغادرة الإلكترون للشريحة.
4-عودة الشيطان إلى الشحنة السالبة مرة أُخرى.
ترجمة: Ahmed Mokhtar
تصميم: Bothaina Mahmoud
المصدر: http://goo.gl/vOLlq5
#الباحثون_المصريون
