[論文レビュー] Efficiency bounds for quantum engines powered by non-thermal baths

Wolfgang Niedenzu, David Gelbwaser-Klimovsky+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2015

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、スクリーチドやコherentにシフトされた熱浴のような非熱的浴によって駆動される量子エンジンを調査している。これらの浴は作業フリードの非パassing状態を引き起こし、仕事の貯蔵と供給を可能にする。伝統的なカルノー効率に制限される通常の熱エンジンとは異なり、これらのマシンは浴からの熱と機械的仕事の両方を駆動力として用いる熱力学的機械的エンジンとして動作し、特定の条件下でカルノー限界を超える効率を達成する。

ABSTRACT

We analyse the operation principles and performance bounds of quantum engines whose working fluid (WF) is energised by a non-thermal bath. We show that such a bath (e.g., a squeezed or coherently displaced thermal bath) can render the WF state non-passive, i.e., capable of storing and delivering work. This non-passivity converts the heat engine into a thermo-mechanical machine that is powered by mechanical work, as well as heat, from the non-thermal bath. Its efficiency is unrestricted by the Carnot bound, which only applies to heat engines. By contrast, for certain WF--bath interactions and non-thermal bath states the WF thermalises. The machine then operates as a heat engine, but its Carnot bound may correspond to a higher temperature than its thermal-bath counterpart.

研究の動機と目的

• 非熱的浴がどのようにして量子エンジンがカルノー効率の上限を超えるのを可能にするかを理解すること。
• 非熱的浴に結合された作業フリードが非パassing状態になる条件を分析すること。
• このような系において、機械的仕事の入力がある熱力学的機械的動作と、従来の熱エンジンの挙動の違いを明確にすること。
• 作業フリードが熱平衡状態に達するタイミングと、そのときの有効なカルノー限界と効率の上限に及ぼす影響を特定すること。

提案手法

• 作業フリードを、スクリーチドやコherentにシフトされた熱浴のような非熱的浴と相互作用する量子系としてモデル化する。
• 量子熱力学を用いて、異なる浴の状態における作業フリードの定常状態のパassing性を分析する。
• 作業フリードの非パassing性に基づいて、熱力学的仕事抽出能力を評価する。
• 非熱的浴の下での効率の上限を、熱浴に対する標準的なカルノー限界と比較する。
• システムが熱力学的機械的エンジンとして動作するか、熱エンジンとして動作するかのパラメータ領域を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような条件下で非熱的浴が作業フリードを非パassing状態にするとされるか？
• RQ2 非パassing性が作業フリードが仕事の貯蔵と供給を可能にし、エンジンの動作モードをどのように変えるか？
• RQ3 このようなエンジンの効率がカルノー限界を超えることができるか。もしそうなら、どのような物理的条件下で可能か？
• RQ4 作業フリードが熱平衡状態に達するのはいつか。そのとき、有効温度と効率の上限にどのような影響を与えるか？

主な発見

• スクリーチドやコherentにシフトされた熱浴のような非熱的浴は、作業フリードに非パassing状態を引き起こし、これにより仕事の貯蔵と供給が可能になる。
• その結果、マシンは浴からの熱と機械的仕事の両方を駆動力として用いる熱力学的機械的エンジンとして動作し、カルノー効率の上限を回避する。
• このような系では、効率がカルノー限界によって制限されない。カルノー限界は、熱平衡の熱源間で動作する熱エンジンにのみ適用される。
• 特定の相互作用タイプと浴の状態では、作業フリードが熱平衡状態に達し、システムが熱エンジンに再帰する。その場合、熱浴を用いた場合よりも高い有効カルノー限界を示す可能性がある。