協力現象がともなう量子系の非平衡熱力学

具有合作现象的量子系统的非平衡热力学

基本信息

批准号：
19F19026
负责人：
齊藤圭司
金额：
$ 0.58万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-10-11 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19F19026/
关键词：
非平衡熱力学

项目摘要

微小熱機関における熱から仕事への変換を深く理解することにより、熱力学における非平衡効果や量子効果の普遍的性質を明らかにすることが昨今の物理学における重要な課題の一つになっている。この方向性のもとに、我々は微小熱機関の近準静的サイクル（完全に準静的ではないが準静的に近いパラメーター変化をともなうサイクル）における熱効率と仕事率との関係、また量子コヒーレンスの効果を厳密に議論した。近準静的過程においては、断熱量子理論を使えるので分布関数をサイクル時間の逆ベキで展開することにより厳密に、系の定常分布の展開を行った。これにより仕事とエントロピー生成に対する厳密な表式を導出し、仕事率が熱効率と熱力学長という量で上からおさえられることを示した。熱力学長は、経路が決まれば系に対して一意的に決定される量で、完全に幾何学的量である。これは、非平衡熱力学的な量を幾何学的な量で表したという意味で非常に興味深い関係式である。また、量子的コヒーレンスの効果に関しても厳密な議論も行った。その結果、量子コヒーレンスは常に熱効率を減じる方向にはたらくことを示した。これら２つの結果は、熱と仕事の間に成立する厳密かつ普遍的な関係であるという意味で意義深い。熱力学長を測ることで、熱機関としての性能を特徴付けらることも意味しており、今後具体的な系で調べられていくと期待される。

当今物理学的重要挑战之一是通过深入了解微热机中热量的转换来阐明热力学中非平衡效应和量子效应的普遍性质。基于这个方向，我们研究了近准静态循环（不完全准静态但有近准静态参数变化的循环）下热效率与功率的关系，并对量子相干性的影响进行了严格的研究讨论过。在近准静态过程中，由于可以使用绝热量子理论，通过将分布函数展开为循环时间的倒数幂来严格展开系统的稳态分布。结果，我们导出了功和熵产生的严格表达式，并表明功率可以通过热效率和热力学长度的量从上面抑制。热力学长度是系统在路径确定后唯一确定的量，是一个完全几何量。这是一个非常有趣的关系表达式，因为它将非平衡热力学量表达为几何量。我们还对量子相干性的影响进行了严格的讨论。结果表明，量子相干性总是朝着降低热效率的方向起作用。这两个结果具有重要意义，因为它们代表了热与功之间严格且普遍的关系。通过测量热力学长度，还可以表征热机的性能，预计未来将在混凝土系统中进行研究。