[論文レビュー] Thermodynamic implications of non-reciprocity

Sarah A. M. Loos, Sabine H. L. Klapp|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 78被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、連続時間および連続空間における確率的自由度同士の非対称的相互作用が、本質的に定常なエネルギーの流れを引き起こし、系を平衡状態から逸脱させることを示している。非対称的結合された自由度が1つあるだけでも、単一の熱浴から仕事を取り出すことができ、最小限の自己駆動型マクスウェルの悪魔として機能する。同時に、複雑な記憶効果と非ゼロの情報フローを伴う非マルコフ的ダイナミクスが生じる。

ABSTRACT

We study the thermodynamic properties induced by non-reciprocal interactions between stochastic degrees of freedom in time- and space-continuous systems. We show that, under fairly general conditions, non-reciprocal coupling alone implies a steady energy flow through the system, i.e., non-equilibrium. Projecting out the non-reciprocally coupled degrees of freedom renders non-Markovian, one-variable Langevin descriptions with complex types of memory, for which we find a generalized second law involving information flow. We demonstrate that non-reciprocal linear interactions can be used to engineer non-monotonic memory, which is typical for, e.g., time-delayed feedback control, and is automatically accompanied with a nonzero information flow through the system. Furthermore, already a single non-reciprocally coupled degree of freedom can extract energy from a single heat bath (at isothermal conditions), and can thus be viewed as a minimal version of a time-continuous, autonomous Maxwell demon. At the same time, the non-reciprocal system has characteristic features of active matter, such as a positive energy input on the level of the flucuating trajectories, without global particle transport.

研究の動機と目的

• 時間的・空間的連続な確率的系における非対称的相互作用の熱力学的結果を調査すること。
• 非対称的結合が定常的エネルギーの流れおよび平衡からの逸脱をどのように引き起こすかを理解すること。
• 非対称的結合された変数を投影した場合に、非マルコフ的ダイナミクスおよび情報フローの出現を調査すること。
• 非対称的系が単一の熱浴から仕事を取り出せるかどうかを特定すること。これはマクスウェルの悪魔を模倣するものである。
• このような系が、全粒子輸送がなくとも、アクティブマターに類似た挙動を示すことを特徴づけること。

提案手法

• 自由度間の非対称的結合を有する連続時間・連続空間の確率的系の分析。
• 非対称的結合された自由度を投影した後の有効1変数ランジュバン方程式の導出。これにより、複雑な記憶核を有する非マルコフ的ダイナミクスが得られる。
• 非マルコフ的系において情報フロー項を含む一般化された第二法則を適用。
• 線形非対称的相互作用を用いて、非単調な記憶関数を設計。これは時間遅れフィードバック制御に類似している。
• 等温条件下での熱力学的挙動を定式化し、単一の熱浴からの仕事抽出を評価すること。
• 個々の揺動的経路に沿ったエネルギーおよび情報フローの定量的評価により、アクティブな挙動および非平衡定常状態を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的な確率的系における非対称的結合から生じる熱力学的効果は何か？
• RQ2 等温条件下で、非対称的結合された自由度が1つだけの系が、単一の熱浴から仕事を取り出せるか？
• RQ3 非対称的結合された自由度を投影することにより、複雑な記憶を有する非マルコフ的ダイナミクスがどのように生じるか？
• RQ4 非対称的相互作用を有する非マルコフ的系において、情報フローが果たす役割は何か？
• RQ5 このような系は、全粒子輸送がなくとも、アクティブマターに類似した挙動をどのように示すか？

主な発見

• 非対称的結合そのものにより、定常的エネルギーの流れが生じ、外部駆動がなくても非平衡状態が生じることを示唆する。
• 非対称的結合された自由度を投影すると、複雑な記憶核を有する非マルコフ的ランジュバン方程式が得られる。
• 情報フロー項を含む一般化された第二法則が導出され、第二法則が非マルコフ的系へ拡張されることを示している。
• 非対称的線形相互作用は、時間遅れフィードバックに特徴的な非単調な記憶関数を生成でき、非ゼロの情報フローと本質的に関連している。
• 非対称的結合された自由度が1つだけの系でも、等温条件下で単一の熱浴からエネルギーを取り出すことができ、最小限の自己駆動型マクスウェルの悪魔として機能する。
• 個々の揺動的経路において正のエネルギー入射が観察され、全粒子輸送がなくともアクティブマターに類似した挙動と整合的である。