一个经典信息位的擦除是一个耗散过程。1961年,Rolf Landauer从理论上推导出该操作期间产生的最小热量等于$k_B T \ln 2$,并命名为Landauer极限、Landauer重置或Landauer原理。尽管兰道极限具有根本的重要性,但它在50多年的时间里一直没有得到实验验证,直到最近才用胶体粒子和磁点进行了测试。对不同设备的实验测量,如微机械系统或纳米电子设备仍然缺失。在这里,我们展示了在一个微机械系统中进行Landauer复位操作,在一个有效的温度下操作所获得的结果。测得的热交换符合理论,达到接近预期极限的值。然后将获得的热产生数据与完成复位操作的错误概率相关联。
英文摘要:
The erasure of a classical bit of information is a dissipative process. The minimum heat produced during this operation has been theorized by Rolf Landauer in 1961 to be equal to $k_B T \ln 2$ and takes the name of Landauer limit, Landauer reset or Landauer principle. Despite its fundamental importance, the Landauer limit remained untested experimentally for more than fifty years until recently when it has been tested using colloidal particles and magnetic dots. Experimental measurements on different devices, like micro-mechanical systems or nano-electronic devices are still missing. Here we show the results obtained in performing the Landauer reset operation in a micro-mechanical system, operated at an effective temperature. The measured heat exchange is in accordance with the theory reaching values close to the expected limit. The data obtained for the heat production is then correlated to the probability of error in accomplishing the reset operation.
Work Extraction and Landauer's Principle in a Quantum Spin Hall Device
Landauer原理指出,系统中每一位信息的擦除至少需要消耗一个单位的能量$k_B T \ln 2$。作为回报,空白位可能被用于提取$k_B T \ln 2$量的可用功,与热力学第二定律保持一致。虽然原则上任何自旋集合都可以用作信息存储,但通过利用该资源进行工作提取原则上需要能够使用该资源的专用引擎。在这项工作中,我们专注于热和电荷输运的量子自旋霍尔器件中存在的自旋浴。我们展示了一个正确初始化的核自旋子系统如何可以用作麦克斯韦恶魔的存储器资源,以从储层中收集可用的热能,从而诱导可以为外部电负载供电的电荷电流。我们还展示了如何初始化的核自旋子系统,使用施加的偏置电流,这必然会消耗能量,从而证明朗道的原则。这提供了一种在全电设备中“能量存储”的替代方法。最后,我们提出了一个现实的设置实验观察兰道尔擦除/工作提取周期。
Heat dissipation and its relation to thermopower in single-molecule junctions
受最近实验的启发[Lee et al.Nature 498,209(2013)],我们在此提出了载流单分子结中焦耳加热的详细理论分析。通过结合量子输运的Landauer方法与从头计算,我们展示了如何加热的分子结的电极是由它的电子结构。特别是,我们表明,在一般情况下,热量是不相等的结的两个电极中耗散,它取决于偏置极性(或等效的电流方向)。这些加热不对称性与结的热电势密切相关,因为这两个量都由非常相似的原理控制。我们通过分析基于具有不同锚定基团的苯衍生物的单分子结来说明这些想法。热耗散和热功率之间的密切关系提供了探索基本现象的一般策略,如珀尔帖效应或量子干涉效应对分子传输结焦耳加热的影响。