量子協同現象を利用した巨視的量子熱機関の理論

利用量子合作现象的宏观量子热机理论

基本信息

批准号：
22K13971
负责人：
橋本一成
金额：
$ 2.83万
依托单位：
University of Yamanashi
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

強い量子力学的性質を示す微小系を作業物資に用いることで熱機関の性能を向上させることは、量子熱力学の重要なテーマの一つである．本研究では、相互に影響し合う量子熱機関を多数並列に動作させた場合に生じる熱機関群の協同的な現象を利用して巨視的な出力の増大を目指す．そのために不可欠なステップは、量子熱機関の動作効率と量子コヒーレンスの間の関係の理解である．このような観点から、本年度は本格的な量子熱機関群における量子コヒーレンスの役割を研究する前段階として、少数自由度の微小系（注目系）が環境と結合した開放量子系を対象に以下の検討を行なった．（１）熱機関を有限周波数の周期外場を印加することで有限スピードで制御する場合、注目系の状態は外場によって平衡から遠く引き離され、その際生じる量子状態間コヒーレンスが環境へのエネルギー散逸や量子輸送に重要な役割を演じる．そこで、本年度の研究ではこの有限スピード制御下での注目系の非平衡ダイナミクスと量子輸送を解析するための定式化を、外場と共に時間変化する座標系による表示と量子マスター方程式を用いて整備した．さらに、この定式化を電子溜（電極）と結合した量子ドットに回転磁場を印加することで量子ドットー電極間に生じる純スピン流の分析に適用した．（２）またその他の予備的な検討として、単一の２準位系（注目系）とボソン熱浴（環境系）が結合した開放量子系において、注目系と環境系の相互作用によって生じる注目系の量子状態間のコヒーレンスダイナミクスが環境系への熱散逸に及ぼす影響を明らかにした．

量子热力学的重要主题之一是通过使用表现出强大的量子机械性能作为工作供应的微型系统来提高热发动机的性能。在这项研究中，我们旨在通过利用热发动机组的合作现象来增加宏观输出，而热发动机组的合作现象是在并行操作的多个量子热发动机时发生的。这一目的的重要一步是了解量子热发动机的工作效率与量子相干性之间的关系。从这个角度来看，作为研究量子相干性在今年全尺寸量子热发动机组中的作用的初步步骤，我们对开放量子系统进行了以下考虑，其中具有少数自由度（一种感兴趣的系统）的小型系统与环境相结合。（1）当通过应用有限频率的周期性外部磁场来以有限的速度控制加热发动机时，感兴趣系统的状态与外部场相与平衡分离，并且在此过程中发生的量词间相干性在能量耗散到环境和量子运输中起着重要作用。因此，在今年的研究中，我们开发了一种公式，用于分析有限速度控制系统在有限速度控制下使用时变坐标系和量子主方程的显示器在有限速度控制下的非平衡动力和量子运输。此外，通过将旋转磁场应用于偶联到电子储层（Electrode）的量子点，将该公式应用于量子点电极之间发生的纯自旋电流的分析。（2）此外，在另一项初步研究中，在一个开放量子系统中，在该系统中，单个两级系统（焦点系统）和玻色子热浴（环境系统），这是由焦点系统与环境系统之间的相互作用引起的焦点系统量子态在焦点系统之间的相干动力学对环境系统对环境系统的散热的影响。