[論文レビュー] Heat rectification by two qubits coupled with Dzyaloshinskii-Moriya interaction

Vipul Upadhyay, Muhammad Tahir Naseem+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 78被引用数 35

ひとこと要約

本稿では、Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用を介して結合された2つのスピン1/2キュービットを用いた量子熱整流器を提案する。DM 相互作用そのものは固有の反対称性を持つため、熱整流を生じさせることはできないことが示された。対照的に、非共鳴キュービットを導入することで対称性が破られ、顕著な熱整流が実現される。整流因子は、DM 異方性とキュービットの周波数オフセットを調整することによって向上し、量子コherenceの非対称性が整流性能の鍵となる資源であることが特定された。

ABSTRACT

We investigate heat rectification in a two-qubit system coupled via the Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction. We derive analytical expressions for heat currents and thermal rectification and provide possible physical mechanisms behind the observed results. We show that the anisotropy of DM interaction in itself is insufficient for heat rectification, and some other form of asymmetry is needed. We employ off-resonant qubits as the source of this asymmetry. We find the regime of parameters for higher rectification factors by examining the analytical expressions of rectification obtained from a global master equation solution. In addition, it is shown that the direction and quality of rectification can be controlled via various system parameters. Furthermore, we compare the influence of different orientations of the DM field anisotropy on the performance of heat rectification. Finally, we investigate the possible interplay between quantum correlations and the performance of the quantum thermal rectifier. We find that asymmetry in the coherences is a fundamental resource for the performance of the quantum thermal rectifier.

研究の動機と目的

• Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用が2キュービット系において熱整流を引き起こせるかどうかを調査すること。
• 測定可能な熱整流を達成するための、DM 相互作用を超える必要となる非対称性の特定。
• グローバルマスター方程式のアプローチを用いて、熱電流と整流因子を解析的に導出すること。
• DM 磁場の異方性の方向と系パラメータが整流効率に与える影響を調査すること。
• 特にcoherence非対称性を含む量子相関が、熱整流の実現に果たす役割を検討すること。

提案手法

• ハミルトニアン HDM = g(σ̂xLσ̂yR − σ̂yLσ̂xR) を用いて、DM 相互作用を有する2キュービット系をモデル化。各キュービットには局所磁場 ωL と ωR を導入。
• 各キュービットがそれぞれ異なる温度の熱浴に局所的に結合するスピン・ボソンモデルを用いる。
• Born-Markov近似と正規化近似を用いて、オープン量子系のダイナミクスを導出し、グローバルマスター方程式を導出。
• マスター方程式を解析的に解き、定常状態における熱電流と整流因子を計算。
• グローバルマスター方程式の解を用いて、系パラメータの関数として熱電流と整流因子の解析的表現を導出。
• 定常状態密度行列の解析を通じて、coherence非対称性や量子相関が整流性能に与える役割を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用の反対称性が、2キュービット系において熱整流を生じさせるのに十分か？
• RQ2 DM 相互作用が唯一の結合である場合、顕著な熱整流を達成するために、どのような追加の非対称性機構が必要か？
• RQ3 DM 磁場の異方性の方向と異方性が、整流因子と熱電流にどのように影響するか？
• RQ4 coherence非対称性が、この系における熱整流の根本的資源として機能できるか？
• RQ5 非共鳴キュービットとDM結合が存在する状況で、どのパrameter領域が整流因子を最大にするか？

主な発見

• DM 相互作用そのものは、反対称性のため、熱整流を生じさせることはできない。追加の非対称性が不可欠である。
• 非共鳴キュービットが、高い整流因子を実現するための必要な非対称性を提供する。最適な性能は、特定のオフセットと結合強度で観測される。
• 好都合なパラメータ領域では、整流因子が約0.8に達する。特に共鳴条件近くで強くDM結合がある場合に最大の増幅が観察される。
• DM 磁場の異方性の方向は整流効率に顕著な影響を及ぼし、z方向の整列が最も好都合な結果をもたらす。
• 定常状態密度行列のcoherenceにおける非対称性が、人口の不均衡とは独立して、整流の根本的資源であることが特定された。
• グローバルマスター方程式の解析的解から、整流は単なる人口勾配ではなく、非平衡量子coherenceのダイナミクスに起因することが明らかになった。