1School of Physics, Trinity College Dublino, College Green, Dublino 2, Irlanda
2Centro per sistemi quantistici complessi, Università di Aarhus, Nordre Ringgade 1, 8000 Aarhus C, Danimarca
3Centro Dahlem per i sistemi quantistici complessi, Freie Universitat di Berlino, 14195 Berlino, Germania
4Scuola di Fisica, University College Dublin, Belfield, Dublino 4, Irlanda
5Centro di ingegneria quantistica, scienza e tecnologia, University College Dublin, Belfield, Dublino 4, Irlanda
6Departamento de Física, Universidad de Murcia, Murcia E-30071, Spagna
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Astratto
Introduciamo una classe unica di macchine termiche quantistiche cicliche (QTM) che possono massimizzare le loro prestazioni al valore finito della durata del ciclo $tau$ dove sono più irreversibili. Questi QTM si basano su cicli termodinamici a corsa singola realizzati dallo stato stazionario di non equilibrio (NESS) del cosiddetto processo Periodically Refreshed Baths (PReB). Troviamo che tali QTM possono interpolare tra QTM collisionali standard, che considerano interazioni ripetute con ambienti a sito singolo, e QTM autonomi gestiti mediante accoppiamento simultaneo a più bagni macroscopici. Discutiamo la realizzazione fisica di tali processi e mostriamo che la loro implementazione richiede un numero finito di copie dei bagni. È interessante notare che massimizzare le prestazioni operando nel punto più irreversibile in funzione di $tau$ comporta un aumento della complessità di realizzazione di tale regime, quest'ultima quantificata dall'aumento del numero di copie di bagni richieste. Dimostriamo questa fisica considerando un semplice esempio. Introduciamo anche un'elegante descrizione del processo PReB per i sistemi gaussiani in termini di un'equazione di Lyapunov a tempo discreto. Inoltre, la nostra analisi rivela anche interessanti connessioni con gli effetti Zeno e anti-Zeno.
Immagine in primo piano: una semplice macchina termica quantistica aggiornata periodicamente. È costituito da due siti fermionici con salti $g$ tra di loro, ciascun sito ha il proprio set di bagni, che si accoppiano uno per uno per un tempo $tau$ in modo ciclico. Qui ogni bagno è descritto da un singolo sito fermionico dissipativo. La dissipazione “rinfresca” ciascun bagno riportandolo al suo stato di equilibrio prima che venga riaccoppiato al sistema. Le temperature degli stati di equilibrio dell'insieme di bagni collegati ai due siti sono diverse (temperature inverse, $beta_1$ e $beta_2$), mentre i potenziali chimici ($mu$) sono uguali.
Riepilogo popolare
Basato su sistemi quantistici microscopici, proponiamo un nuovo tipo di ciclo termodinamico che può essere più efficiente quando la dissipazione è massimizzata in funzione della durata del ciclo. Di conseguenza, in funzione della durata del ciclo, non esiste alcun compromesso tra potenza ed efficienza. Chiamiamo motori termici e frigoriferi basati su questo ciclo termodinamico “macchine termiche quantistiche periodicamente aggiornate”. A differenza delle macchine termiche tradizionali, alla fine di ogni ciclo il sistema non ritorna ad uno stato di equilibrio, ma piuttosto ad uno stato lontano dall’equilibrio. Discutiamo di come un tale processo potrebbe essere realizzato fisicamente. La natura del ciclo rende la dinamica e la termodinamica del sistema suscettibili di un trattamento numerico esatto all'interno degli approcci microscopici esistenti alla termodinamica quantistica. In particolare, per i sistemi gaussiani, troviamo un'elegante descrizione in termini di un'equazione di Lyapunov a tempo discreto: un'equazione ben studiata in matematica e ingegneria che viene utilizzata nella vita di tutti i giorni per il controllo di oggetti macroscopici. Le “macchine termiche quantistiche periodicamente rinnovate” combinano diversi concetti, dimostrando profonde connessioni con la fisica delle interazioni ripetute o dei modelli collisionali, dei dispositivi termoelettrici e degli effetti quantistici Zeno e anti-Zeno.
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