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．

利用具有强大量子力学特性的微系统作为工作材料来提高热机的性能是量子热力学的重要主题之一。在这项研究中，我们的目标是利用一组热机的协同现象来增加宏观输出，这种现象是在大量相互影响的量子热机并行运行时发生的。为此目的的一个重要步骤是了解量子热机运行效率和量子相干性之间的关系。从这个角度来看，今年，作为研究量子相干性在全尺寸量子热机中的作用的初步步骤，我们将在开放量子系统上进行以下研究，其中一个具有几个自由度的小系统（系统我们进行了一项研究。 (1) 当通过施加有限频率的周期性外场将热机控制在有限速度时，所关注系统的状态被外场拉得远离平衡，并且量子态之间的相干性此时发生的增加了环境的能量，它在耗散和量子传输中发挥着重要作用。因此，在今年的研究中，我们开发了一种在有限速度控制下分析感兴趣系统的非平衡动力学和量子输运的公式，使用随外部场和量子主方程随时间变化的坐标系表示。此外，通过向耦合到电子库（电极）的量子点施加旋转磁场，将该公式应用于分析量子点和电极之间产生的纯自旋电流。（2）作为另一项初步研究，在一个开放量子系统中，单个二能级系统（感兴趣的系统）和玻色热浴（环境系统）耦合，感兴趣的系统和玻色子热浴之间的相互作用产生的注意力我们阐明了系统量子态之间的相干动力学对环境散热的影响。