费曼棘轮的实验实现

费曼棘轮是一台与温度为 $T_A$ 和 $T_B$ 的两个热库接触的微观机器，由理查德·费曼提出用以阐释热力学第二定律。在平衡时（$T_A=T_B$），热涨落阻止棘轮产生定向运动。当棘轮通过温度差（$T_A \ne T_B$）维持在远离平衡态时，它可作为热机运行，将热涨落整流以做功。尽管它引起了广泛关注，但由于技术挑战，费曼棘轮作为热机的运行尚未在实验上实现。在这项工作中，我们利用处于一维光学陷阱中的胶体粒子与两个热库接触来实现费曼棘轮：一个是周围的水，而另一个热库的效果由一种新颖的反馈机制产生，使用 Metropolis 算法来施加细致平衡。我们验证了当 $T_A=T_B$ 时系统不产生功，而当 $T_A \ne T_B$ 时它成为微观热机。我们分析了功、热和熵产生作为温度差和外加载荷的函数。我们对费曼棘轮和 Metropolis 算法的实验实现也可用于研究反馈控制和信息处理的热力学、分子马达的工作机制以及可控粒子输运。