Thermodynamics of energy interconversion in the quantum regime

Autor: Osorio, Carlos Ivan Henao
Přispěvatelé: Serra, Roberto Menezes, Semião, Fernando Luis da Silva, Landulfo, André Gustavo Scagliusi, Céleri, Lucas Chibebe, Sarthour Junior, Roberto Silva
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFABC
Universidade Federal do ABC (UFABC)
instacron:UFABC
Popis: Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2019. Quantum thermodynamics is an exciting research eld that studies the characterization and manipulation of physical quantities such as energy and entropy, at scales so small that quantum eects become important. In this regime, typical thermal uctuations are accompanied by uctuations of quantum nature, rendering work itself an intrinsically stochastic variable. This in turn implies that a clear distinction between microscopic work and microscopic heat can be subject to conceptual and experimental diculties. While providing sensible denitions of work and heat is necessary for the internal consistency of the theory, the thermodynamics of quantum systems comprises the study of other forms of energy, including the charge of quantum batteries. Moreover, the presence of coherence and correlations endows the quantum ecosystem with some unique thermodynamic traits. The results presented in this thesis are aligned with the previous considerations. We study the thermodynamic limitations for the interconversion between dierent forms of energy in three scenarios: the energy transfer between two quantum systems, the conversion of thermal energy into charge of a quantum battery, and the operation of quantum heat engines that deliver work to an external classical eld. By introducing a general formalism for the description of the energy transfer, we characterize this process for initial states without quantum coherence and elucidate how such a resource can contribute to its optimization. In the case of two qubits, it is shown that coherence maximizes the energy exchange, and is the property responsible for the reversion of the natural heat ow. We analytically derive the maximum charge (charging capacity) of a three-level quantum battery that is charged via a two-qubit heat engine. We study how the charge relates to the charging power and the charging eciency in the transient operation regime, considering also the corresponding ergotropy increase. Although much research has been devoted to the analysis of quantum heat engines, there are few works addressing this topic in full generality. We derive exact expressions for the eciency of two thermodynamic cycles employed to extract work, for a generic working medium and under few assumptions concerning the cycle implementation. We further characterize the impact of dierent types of correlations and show that initially correlated reservoirs can enhance the eciency. With the promising panorama of emergent quantum technologies, it is expected that quantum thermodynamics will provide tools for the ecient supply and processing of energy in quantum devices, complementing the role that quantum information science and quantum computing have for the corresponding information processing. We hope that our work contributes to this endeavor and inspires related investigations of theoretical and applied nature. A termodinâmica quântica é um apasionante campo de pesquisa que estuda a caracteriza ção e manipulação de grandezas físicas como energia e entropia, em escalas tão pequenas que os efeitos quânticos se tornam importantes. Neste regime, as utuações térmicas típicas são acompanhadas por utuações de natureza quântica, fazendo com que o trabalho seja uma variável intrinsecamente estocástica. Isso, por sua vez, implica que uma clara distinção entre trabalho e calor microscópicos pode estar sujeita a diculdades conceituais e experimentais. Embora seja necessário forneçer denições sensíveis de trabalho e calor para a consistência interna da teoria, a termodinâmica dos sistemas quânticos abrange o estudo de outras formas de energia, incluindo a carga de baterias quânticas. Além disso, a presença de coerência e correlações confere ao ecossistema quântico algumas características termodinâmicas únicas. Os resultados apresentados nesta tese estão alinhados com as considerações anteriores. Estudamos as limitações termodinâmicas para a interconversão entre diferentes formas de energia em três cenários: a transferência de energia entre dois sistemas quânticos, a conversão de energia térmica em carga de uma bateria quântica, e a operação de motores térmicos quânticos que fornecem trabalho a um campo clássico externo. Introduzindo um formalismo geral para a descrição da transferência de energia, caracterizamos esse processo para estados iniciais sem coerência quântica e elucidamos como tal recurso pode contribuir a sua otimização. No caso de dois qubits, é mostrado que a coerência maximiza a troca de energia, e é a propriedade responsável pela reversão do uxo de calor natural. Derivamos analiticamente a carga máxima (capacidade de carga) de uma bateria quântica de três níveis que é carregada através de um motor térmico de dois qubits. Estudamos como a carga se relaciona com a potência de carregamento e a eciência de carregamento no regime de operação transitória, considerando também o aumento correspondente de ergotropia. Apesar de que muita pesquisa foi dedicada à análise de máquinas térmicas quânticas, há poucos trabalhos abordando este tópico com total generalidade. Nós derivamos expressões exatas para a eciência de dois ciclos termodinâmicos empregados para extrair trabalho, para um meio de trabalho genérico e sob poucas suposições com relação à implementação dos ciclos. Além disso, caracterizamos o impacto de diferentes tipos de correlações e mostramos que reservatórios inicialmente correlacionados podem aumentar a eciência. Com o panorama promissor das tecnologias quânticas emergentes, espera-se que a termodinâmica quântica forneça ferramentas para o abastecimento e processamento e- cientes de energia em dispositivos quânticos, complementando o papel que a ciência da informação quântica e a computação quântica têm para o correspondente processamento de informação. Esperamos que nosso trabalho contribua para esse esforço e inspire investiga ções relacionadas de natureza teórica e aplicada.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: