[論文レビュー] Quantum limits to the second law and breach of symmetry

А. В. Никулов|arXiv (Cornell University)|May 20, 2005

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、特に中間スケールのループにおける持続的電流によって時間反転対称性および空間対称性が破れる内在的対称性の破れを通じて、量子系が熱力学第二法則に反する可能性があると主張している。量子もつれ状態が超伝導ループに生じる非零の直流電圧を生成し、熱雑音を上回る累積的出力を可能にすることで、平衡状態下でのエントロピー増大の古典的見解に挑戦する。

ABSTRACT

Connection between an intrinsic breach of symmetry of equilibrium motion and violation of the second law is accentuated. An intrinsic breach only of clockwise - counter-clockwise symmetry of a circular equilibrium motion can be logical under equilibrium conditions, whereas a breach of right-left symmetry should be always an actual violation of the second law. The reader's attention is drawn to experimental evidence of an intrinsic breach of the clockwise - counter-clockwise symmetry of a circular equilibrium motion, well known as the persistent current. The persistent current is observed in mesoscopic normal metal, semiconductor and superconductor loops and the clockwise - counter-clockwise symmetry is broken because of the discrete spectrum of the permitted states of quantum charged particles in a closed loop. The quantum oscillations of the dc voltage observed on a segment of an asymmetric superconducting loop is experimental evidence of the intrinsic breach of the right-left symmetry and an actual violation of the second law.

研究の動機と目的

• 平衡状態下でも普遍的かつ破れないものとされる熱力学第二法則の古典的仮定に反論すること。
• 特に中間スケールのループにおける量子系の内在的対称性の破れが、第二法則の破れにどのようにつながるかを調査すること。
• 持続的電流や非対称超伝導ループにおける量子振動といった実験的証拠が、実際にエントロピー減少を示す根拠となるかを検討すること。
• これらの発見が、第二法則の根本的立場および量子スケールでの適用可能性に与える影響を検討すること。

提案手法

• 平衡状態下の運動の対称性特性を分析し、時計回り・反時計回りおよび右・左対称性の破れを区別する。
• 閉じたループに量子力学を適用し、離散的エネルギー準位が時間反転対称性および回転対称性を破る持続的電流を生じることを示す。
• 非対称超伝導ループにおける直流電圧の量子的振動を、右・左対称性の破れおよび非平衡状態の兆候として分析する。
• ノイズ的で非相関的なニューキュスト熱雑音と、秩序的で累積的な持続的電流出力とを比較し、ネットエネルギー増幅の可能性を強調する。
• 超伝導ループにおける量子重ね合わせの理論的モデルを用いて、フラックス量子数においても非零の持続的電流が持続可能であることを説明する。
• 非対称ループの複数の組み合わせによる累積的直流出力が、単一ループの出力を上回ることを示唆し、平衡状態からの持続的エネルギー抽出のメカニズムを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子系における内在的対称性の破れが、熱力学第二法則の破れに繋がり得るか？
• RQ2 中間スケールのループにおける持続的電流が、平衡状態下で時間反転対称性および空間対称性をどのように破るか？
• RQ3 非対称超伝導ループにおける直流電圧の量子的振動が、実際にエントロピー減少を示す証拠としてどのように機能するか？
• RQ4 なぜ右・左対称性の破れは平衡状態と不一致であるのに対し、時計回り・反時計回り対称性の破れはそうではないのか？
• RQ5 マクロな系における量子的コherenecy効果が、外部エネルギー供給なしに利用可能な電力を生成できるか？これはカルノー原理に挑戦するものか？

主な発見

• 中間スケールのループにおける持続的電流は、離散的量子状態のおかげで時計回り・反時計回り対称性を破り、平衡状態下でも非零の運動を可能にするメカニズムを提供する。
• 非対称超伝導ループにおける直流電圧の量子的振動は、右・左対称性の破れを示し、第二法則の実際の破れを示唆する。
• 持続的電流出力の相関的・累積的性質により、熱雑音（ニューキュスト電力）を上回る出力が可能であり、実験では20個のループで電圧アーマチュアが20倍に増加した。
• 理論的分析により、半分のフラックス量子数におけるループ内の量子重ね合わせが、古典的期待とは逆に非零の持続的電流を維持できることを示した。
• 最大の持続的電力は1 Kで約10⁻¹² W、100 Kで約10⁻⁸ Wに制限されるが、直列接続による累積効果により、実用的出力を顕著に増幅できる。
• 本論文は、このような量子効果が第二法則の見かけ上の破れを説明する妥当なメカニズムを提供すると結論づける。これは、普遍的不可逆性およびエントロピー増大の古典的信念に挑戦するものである。