מכניקה סטטיסטית של מערכות קטנות מחוץ לשווי משקל

המחקר שלנו מתמקד בתכונות של מערכות קטנות שמונעות כך שהן אינן בשווי משקל תרמודינמי עם סביבתן. התיאוריה הקיימת עבור מערכות שאינן בשווי משקל מוגבלת בהשוואה להבנה העמוקה שקיימת עבור מערכות בשווי משקל. משמעות הדבר שהרבה שאלות בסיסיות נותרו ללא מענה, ולעיתים אפילו לא ברור מהן השאלות שאותן כדאי לחקור.

אף על פי כן, בשנים האחרונות חלה התקדמות ניכרת בתחום במתמקד במערכות קטנות שאינן בשווי משקל. התקדמות זו נובעת משילוב של תוצאות תיאורטיות ומניסיונות חדשניים. התקדמות הטכנולוגיה מאפשרת לחוקרים לבצע ניסויים במערכות קטנות בודדות ולחקור לא רק את התנהגותן הממוצעת אלא גם את הפלקטואציות שמבצעת מערכת בודדת. התקדמות זאת מתבטאת במדידות של מכונות מולקולריות ביולוגיות ומלאכותיות, חלקיקים קולואידים במלכודות לייזר, ומערכות קטנות אחרות המתפקדות כמכונות תרמודינמיות. במקביל ההבנה התיאורטית של מערכות אלו השתפרה עקב הגילוי של משפטי פלקטואציה, קבוצה של תוצאות דומות המשוות בין ההסתברות של מאורעות נדירים הקשורים זה לזה (באופן טיפוסי) על ידי היפוך זמן.  משפטי פלקטואציה עוררו עניין רב מכיוון שהם תקפים גם עבור מערכות שרחוקות ממצב שווי משקל.  משפטים אלו גם רומזים לנו הפלקטואציות של מערכות מקדדות בתוכן מידע חשוב על התכונות שלהן. כל התוצאות הללו מעידות על כך שזהו זמן מצויין כדי להתעניין במערכות קטנות שמונעות אל מחוץ לשווי משקל.  תיאור מפורט של כווני המחקר הספציפיים שאנו עובדים עליהם נמצא בהמשך הדף.

תכונות של משאבות סטוכסטיות

התאים שלנו מכילים מולקולות רבות שפועלות כמכונות מיקרוסקופיות. באופן טיפוסי מכונות מולקולריות אלו מונעות על ידי כוחות תרמודינמיים שאינם משתנים עם הזמן (בהשוואה לזמן האופייני שבו משלים המנוע מחזור פעולה אחד). כיום קיימות קבוצות מחקר רבות שמנסות לבנות מכונות מולקולריות מלאכותיות. מכונות מלאכותיות כאלו יכולות להיות מונעות במגוון דרכים שונות. משאבות סטוכסטיות הן מודלים של מכונות מולקולריות אשר מונעות על ידי שינוי מחזורי של פרמטרים חיצוניים בזמן. מטרת המחקר המתבצע בקבוצה הוא להבין את התכונות התרמודינמיות של מערכות אלו ולהשוות אותן למערכות שמונעות על ידי כוחות שאינן תלויים בזמן.

משפטי פלקטואציה

חלק מעבודת המחקר שלנו מתמקד במשאלות הקשורות למשפטי פלקטואציה. למשל האם ניתן למצוא משפט פלקטואציה שאינו טריוויאלי עבור מערכות שדרגות החופש שלהן נעות בסקלות זמן שונות. במצב זה ניתן לזהות משפט פלקטואציה נוסף שתקף (בקירוב) עבור דרגות החופש האיטיות. לכן במצב שבו היכולת הניסיונית מאפשרת לזהות רק את דרגות החופש האיטיות עדיין ימצא משפט פלקטואציה.

מכניקה סטטיסטית של מערכות קוונטיות קטנות

מרבית המחקר על תכונותיהן של מערכות קטנות שאינן בשווי משקל התמקד המערכות התוארות בצורה קלאסית. מעניין להבין כיצד אפקטים קוונטיים כמו קוהרנטיות או פליטה ספונטנית יכולים להשפיע על התכונות התרמודינמיות של מערכות קטנות.  שאלות מסוג זה נחקרות לעיתים בתחום האופטיקה הקוונטית אולם התפקיד שאותו ממלאות הפלקטואציות של מערכת בודדה כמעט ואינו נבדק. לאחרונה חקרנו מודל של מכונת חום קוונטית שבמחקרים קודמים הוכח שקוהרנטיות קוונטית משפיעה על תכונות כמו ההספק של המכונה. מצאנו שהקוהרנטיות משפיעה גם על פילוג החום שהמכונה מחליפה עם סביבתה. אף על פי כן,  הדינמיקה של מודל זה מקיימת משפט פלקטואציה שאינו תלוי בקוהרנטיות. זהו שילוב מעניין ובלתי צפוי של תוצאות! מחקר נוסף בכיוון זה יתמקד בשאלות בסיסיות כגון היחס בין מידע (על מצב המערכת) ובין תכונות תרמודינמיות.