L'information temporelle : un carburant efficace pour un moteur microscopique !

Un moteur alimenté uniquement par de l'énergie pompée dans l'environnement créerait un mouvement perpétuel, une situation dont les thermodynamiciens du XIXème siècle ont montré l’impossibilité. Une exception à cette règle d’airain qui découle du second principe de la thermodynamique peut néanmoins s’envisager, si l’on réussit à utiliser de façon astucieuse des informations que l’on obtient par ailleurs sur l'état microscopique d'un système, comme le fait le célèbre démon imaginé par Maxwell : dans cette expérience de pensée, un « être intelligent » (le démon) mesure la vitesse des molécules d’un gaz pour les trier, sans dépenser d’énergie. Cette information sur la vitesse permet ainsi de créer une différence de température que l’on peut mettre à profit pour pousser un piston et créer ainsi du mouvement à partir d’un environnement à l’équilibre, contredisant ainsi le second principe. Cette contradiction n’est bien sûr qu’apparente, car si l’on réintroduit dans le bilan toute la chaîne mécanique associée à la mesure de l’information obtenue, le second principe est globalement vérifié.

Ces recherches ont été menées dans le laboratoire CNRS suivant :

• Laboratoire de Physique de l’ENS de Lyon (LPENSL, CNRS / ENS de Lyon)

Dans une récente étude, une équipe de chercheurs et chercheuses issue d'une collaboration internationale a proposé une nouvelle expérience réalisant un démon de Maxwell, en utilisant une définition originale de l'information, basée non pas sur la position ou la vitesse mais sur le temps nécessaire à un système mécanique fluctuant pour atteindre une position donnée (voir figure). Ce processus alimente un moteur microscopique de manière très efficace, les scientifiques démontrant théoriquement et expérimentalement que la conversion de l’information temporelle en énergie est presque parfaite. De plus, cette information peut être facilement mesurée et satisfait à un nouveau théorème, à l'intersection entre la théorie de l'information et la thermodynamique stochastique. Au-delà de cette réalisation spécifique, la définition proposée de l'information basée sur le temps écoulé pour atteindre une consigne fournit un nouvel outil, qui pourra être utilisé pour analyser d’autres expériences mesurant les fluctuations aux échelles microscopiques. Ces résultats sont publiés dans les Physical Review Letters.