廻志屋 - １マクスウェル型(14)

廻志屋

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Ⅱ－１　マクスウェル型　～悪魔の車輪～

物質のブラウン運動からエネルギーを取り出すもの

１４種類

ジェームズ・クラーク・マクスウェル

名称 :マクスウェルの悪魔(Maxwell's demon)発案者:ジェームズ・クラーク・マクスウェル場所 :スコットランド年代 :１８６７年ごろマクスウェルが提唱した思考実験、ないしその実験で想定される架空の、働く存在である。マクスウェルの魔物、マクスウェルのデーモンなどともいう。分子の動きを観察できる架空の悪魔を想定することによって、熱力学第二法則で禁じられたエントロピーの減少が可能であるとした。熱力学の根幹に突き付けられたこの難問は1980年代に入ってようやく一応の解決を見た。動画:物理学の根幹を揺るがす思考実験(マクスウェルの悪魔)

名称 :シラード・エンジン(Szilard's engine)発案者:レオ・シラード(Leo Szilard)場所 :アメリカ(ハンガリー出身)年代 :１９２９年マクスウェルの悪魔を単純化して１分子のみを閉じ込めたシラードのエンジン（後述）と呼ばれるモデルを提唱した。、悪魔が同じ大きさの２つの部屋のどちらに分子があるかを観測するということにより、エントロピーが減少する手法を示した。アイデア自体はシンプルで、構成要素は温度が一定に保たれた箱、箱の中を左右に動ける仕切り、分子一個の３つだけである。動作原理は次の通りである。①箱の中に１分子閉じ込める。②箱の真ん中に仕切りを入れる。③分子が仕切りの右にあるか左にあるか測定する。④右にあれば仕切りをゆっくり左に動かし、左にあれば仕切りをゆっくり右に動かす。⑤仕切りが箱の端に到達したら、仕切りを外す。この動作を繰り返すことで熱力学第一法則を破らずにエネルギーを生み出すことが出来るのではないかと考えた。
シラードの洞察元々気体運動に対して構築された概念であるエントロピーと、情報を得るということ、もしくは知識をもつということの間に深いつながりがあることを示し、また、ボルツマン定数とは実は情報量の単位と物理学の単位を変換する比例定数であることを明らかにした。シラードは、全体の系のエントロピーは減少しないはずなので、悪魔が観測によって情報を得ることによってそれ以上のエントロピーの上昇を伴うだろうと結論した。動画:サイト:The Szilard engine - Energy and Entropy: A Dynamic Duo

名称 :ファインマン・ブラウンラチェット(Feynman Brown Ratchet)発案者:リチャード・フィリップ・ファインマン場所 :アメリカ年代 :１９６０年代ファインマンが、物理の講義において熱力学第二法則を説明するために仮構した見かけ上永久機関のようにみえる思考実験上の装置を指してしばしば用いられる用語である。また、ファインマンのこの機構といくらか類似の仕組みが細胞内のイオンポンプなどで実現されていると考えられるため、それらに対してもブラウン・ラチェットという用語が使われる。ファインマン＝スモルホフスキー・ラチェットとも言う。動画:なし

名称 :電磁誘導式マクスウェルの悪魔(Electromagnetic induction maxwell's demon)発案者:inno lab１場所 :日本年代 :２０１９年これは、ナノサイズの永久磁石をブラウン運動により動かして電磁誘導を起こさせて発電する手法である。有名な天才物理学者ファインマンが提案した「ブラウン・ラチェット」を上手く動作させるためには、羽根車の回転を一方向に制限することが必要な条件となっていた。多くの物理学者の考察では、羽根車の回転を一方向に制限することはできないために、「ブラウン・ラチェットは上手く動かない」との結論になっている。しかしながら、ファインマンおよび他の多くの物理学者達は、羽根車がランダムに回転方向を変えながら回転する（揺動する）ことは認めている。今回紹介する装置では、回転方向がランダムに変化する羽根車の回転を積極的に利用して、エネルギーを生成する。すなわち、羽根車がランダムに回転する（揺動する）ことを許容する。この装置では、回転方向を一方向に制限する必要がない。発生させたエネルギーは、例えば熱に変換することができる。熱を発生させる場合、例えば、最初は二つの領域の間で温度が均一であったとしても、そこから二つの領域の間で温度差を発生させることができる。すなわち、エントロピーを減少させることができる。これにより、マクスウェルの悪魔と呼ばれる物理現象を実現できると考える。ナノサイズの永久磁石のランダムな動きにより生じる電磁誘導現象の利用であり、マクスウェルの悪魔は分子の運動を監視する必要はない。マクスウェルの悪魔は情報を記憶する必要がなく、情報をリセットする必要もないため、エントロピーは増大しない。動画 :マクスウェルの悪魔を実現する方法

名称 :ブリルアンパラドックス(Brillouin's palladox)発案者:レオン・ブリルアン(Léon Nicolas Brillouin)場所 :フランス年代 :１９５０年１９５０年、ブリルアンはマクスウェルの悪魔として知られる問題の解についても述べている。彼は、ラチェットの代わりに整流器(ダイオードなど)を使用する電気回路アナログについて議論した。ダイオードが抵抗器によって生成されるジョンソンノイズの熱電流変動を整流し、仕事の実行に使用できる直流を生成するというアイデアである。詳細な分析では、ダイオード内の熱変動が起電力を生成し、整流された電流変動から電圧を打ち消すことが示された。したがって、ラチェットと同様に、すべてのコンポーネントが熱平衡状態にある場合(同じ温度で)、回路は有用なエネルギーを生成しません。直流電流は、ダイオードが抵抗器よりも低い温度にある場合にのみ生成される。著書「Relativity Reexamined」において彼は相対性理論の"痛ましくも完全な再検討"が"いま絶対的に必要である"と述べた。動画:なし

名称 :粒状ガス疑似ブラウン運動発案者:調査中場所 :調査中年代 :調査中トゥエンテ大学、パトラス大学、物質基礎研究財団の研究者らは、熱平衡状態にないときに、粒状ガスによって疑似ブラウン運動を仕事に変換するファインマン・スモルコフスキーエンジンを構築した。これは、システムが気体のような状態をとるほど激しく振動する固体粒子の集合体である。構築されたエンジンは、振動流体化された粒状ガス中で自由に回転できる4つのベーンで構成されていた。上記のように、ラチェットのギアと爪の機構は車軸を一方向にのみ回転させることができたため、動くビーズとのランダムな衝突によりベーンが回転した。これはファインマンの仮説と矛盾しているように見える。ただし、このシステムは完全な熱平衡状態にあるわけではなく、ビーズの流体運動を維持するためにエネルギーが常に供給されている。振動装置の上部の激しい振動は、分子ガスの性質を模倣している。しかし、小さな粒子が絶えず移動する理想気体とは異なり、揺れを止めるとビーズが落下するだけである。実験では、この必要な非平衡環境が維持された。しかし、仕事はすぐには行われなかった。ラチェット効果は、臨界振動強度を超えてのみ開始された。非常に強い揺れのために、パドルホイールのベーンはガスと相互作用し、対流ロールを形成し、それらの回転を維持した。動画:なし

名称 :電子ブラウンラチェット(Electric brown Ratchet)発案者:葛西誠也(Kasai Seiya)場所 :北海道大学年代 :２０１５年これは、ブラウンラチェットを応用した電子デバイスである。ブラウンラチェットとは生物の筋肉の動力源となる分子モーターのメカニズムである。北海道大学では分子モーターの仕組みにならい、低エネルギーで電流を生成する素子の開発を行っている。電子機器の中では電子が行き来することで信号を伝達しているが、実は１つ１つの電子はランダムな動きをしていて雑音の源になっている。電子ブラウンラチェットは揺らいでいる電子から使えるエネルギーを取り出す素子である。ラチェット機能をいかに電子的につくり出すかがカギとなるが、本研究では半導体ナノワイヤに非対称形状電極を多数設けることでふらつく電子を一つの方向に導く手法を考案した。半導体内部の電子の動きを理解して構造設計し、半導体ナノテクノロジーを使って構造を実現した。このデバイスは室温で動作するため、さまざまな電子機器に組み込むことができる。これは世界初の研究成果と言える。電子機器の中で発生する雑音を排除するのではなく、逆にエネルギー源として使う。こうした仕組みが実用化されればエネルギーの有効利用が飛躍的に向上すると期待できる。動画:なし

名称 :グラフェン整流マクスウェルの悪魔(Graphene rectification maxwell's demon)発案者:調査中場所 :調査中年代 :調査中動画:なし

名称 :熱回収キュリーエンジン発案者:廻志屋場所 :日本年代 :２０２３年動画:なし

名称 :螺旋階段マクスウェルの悪魔(spiral staircase maxwell's demon)発案者:東京大学大学院理学系研究科物理学専攻の上田正仁教授発案者:東京大学院理学系研究科物理学専攻の沙川貴大氏など場所 :日本年代 :２０１０年中央大学と東京大学の研究チームは、微細加工技術とサブミクロンスケールのリアルタイム制御システムを組み合わせることで、「マクスウェルの悪魔」を実験で実現し、情報をエネルギーに変換することに成功。情報を媒介して駆動する新規ナノデバイスの実現の可能性を示した。動画:理系と理系を目指すすべての人へ！「理系の歩き方」第１回

名称 :トランジスタ・マクスウェルの悪魔発案者:アールト大学場所 :フィンランド年代 :２０１６年フィンランド・アールト大学は1月11日、実際に動作する「マクスウェルの悪魔」を回路上に製作したと発表した。あくまで思考実験であり、実際に実験を行なって確認するような理論ではなかったが、アールト大学の研究者は極低温の超伝導材料を用いたトランジスタを利用し、電荷によってゲートを開け閉めするという電子回路を製作した。回路は実際に動作し、トランジスタはマクスウェルの悪魔と同様に働く。ただし、エントロピーの減少はありえないため、動作させると熱の流入（系の冷却、悪魔が存在する部分の温度上昇）として観察される。情報が熱に変換されるという現象は感覚的には理解しにくいが、熱も情報も等しくエントロピーの法則に従い、情報熱力学分野では変換可能なものとして扱われている。研究チームでは、現在は基礎研究レベルではあるものの、可逆コンピューティング（計算にエネルギーを消費しない計算手法）や量子計算技術に応用できる可能性があるとしている。動画:なし

名称 :トランジスタ・マクスウェルの悪魔(Transistor staircase maxwell's demon)発案者:NTT物性科学基礎研究所場所 :日本年代 :２０１７年トランジスタ内の電子１個の動きを観測し、その結果に基づいてトランジスタを操作する技術を開発した。その技術を使い、熱ノイズから一方向に動く電子のみを選り分けることで電流を流しエネルギーを生成させることに成功した。NTTは以下の手順で「悪魔」の動作を実現した。①入口扉を開けて、入口と電子箱の間における電子のランダムな熱運動を観測する②電子が電子箱に入って来たときに、入口扉を閉めて、電子箱に電子を閉じ込める③出口扉を開けて、電子箱と出口の間における電子のランダムな熱運動を観測する④電子が電子箱から出て行ったときに、出口扉を閉めて、出口へ電子を追い出す悪魔(シリコン単電子デバイス)が電子の動きを観測して、その情報を得る作業にエネルギーが必要であり、これが電流を流す電源としての役割を果たす。1ビットの情報を得るためには一定の量のエネルギーが必要である。動画:なし

名称 :スキルミオンのブラウン運動を利用した究極の低消費電力計算への挑戦発案者:後藤穣（基礎工学研究科　物質創成専攻）場所 :日本(大阪大学)年代 :２０２３年大阪大学は、スキルミオンのブラウン運動を利用した究極の低消費電力計算の実現を目指している。ブラウン運動を利用してエネルギーを消費せずに動く究極の低消費電力技術となる可能性がある。本校では、スキルミオンと呼ばれる２次元強磁性薄膜中でブラウン運動するトポロジカルなスピン構造に着目している。スキルミオンには、固体中でブラウン運動し、回路実装や室温での検出・制御が容易という特長がある。本研究では、図１と図２に示すスキルミオンの配線やセルラーオートマトンの実装に成功した。黒丸はスキルミオンであり、スキルミオンはこれらの素子の中をランダムに運動し、情報を伝える。これらの系では入力と出力における制御と検出以外は外部エネルギーの供給無しで情報が伝搬・演算されるため、極めて小さなエネルギーで計算が実行できる。さらに、スキルミオンは室温で検出・制御が容易であることから、超低消費電力計算のための良い実験系となる。強磁性多層膜の上に回路や素子の形に添って SiO2を追加成膜することで、スキルミオンを任意の形状のデバイスに閉じ込めることが可能になった。図１は Y 字型の三叉路であり、スキルミオンはブラウン運動により回路中を自由に動き回る。図２は四角いセルの中に2つずつスキルミオンを閉じ込めた構造であり、スキルミオンは右上と左下に一つずつ、あるいは左上と右下に一つずつ位置する場合が安定となる。スキルミオン同士は静磁相互作用により互いに反発しあい、セル内およびセル間でスキルミオンが相互作用する。これにブラウン運動が加わることにより、スキルミオンの情報が伝搬する。これらの素子では、情報の流れが可逆であることから、双方向演算により因数分解などの計算が可能ではないかと期待している。動画:なし

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