[论文解读] 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 35

一句话总结

本文提出一种基于两个通过Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用耦合的自旋-1/2量子比特的量子热整流器，表明仅靠DM相互作用不足以实现热整流，因其固有的反对称性。通过引入非共振量子比特以打破对称性，系统实现了显著的热整流，且通过调节DM各向异性和量子比特能级失谐，可进一步增强整流因子。研究识别出相干性不对称性是实现优异整流性能的关键资源。

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.

研究动机与目标

• 探究仅靠Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用是否能在双量子比特系统中诱导热整流。
• 识别在仅存在DM相互作用时，实现可测量热整流所必需的额外不对称性。
• 通过全局主方程方法，解析推导热流和整流因子。
• 探讨DM场各向异性的方向以及系统参数对整流效率的影响。
• 研究量子关联，特别是相干性不对称性，在实现热整流中的作用。

提出的方法

• 通过哈密顿量 HDM = g(σ̂xLσ̂yR − σ̂yLσ̂xR) 建模一个具有DM相互作用的双量子比特系统，其中包含局部磁质 ωL 和 ωR。
• 采用自旋-玻色子模型描述每个量子比特与其各自热库的局域耦合，且温度不同。
• 利用Born-Markov近似和约化近似推导开放量子系统的动力学，获得全局主方程。
• 解析求解主方程，以计算稳态热流和整流因子。
• 利用全局主方程的解，推导出热流和整流因子关于系统参数的解析表达式。
• 通过稳态密度矩阵分析，研究相干性不对称性和量子关联在整流性能中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的反对称性是否足以在双量子比特系统中产生热整流？
• RQ2 当DM相互作用是唯一耦合机制时，还需何种额外的不对称机制才能实现显著的热整流？
• RQ3 DM场各向异性的取向和各向异性如何影响整流因子和热流？
• RQ4 相干性不对称性能否作为该系统中热整流的根本资源？
• RQ5 在存在非共振量子比特和DM耦合的情况下，哪些参数区域可使整流因子最大化？

主要发现

• 由于其反对称本性，仅靠Dzyaloshinskii-Moriya相互作用不足以实现热整流，必须引入额外的不对称性。
• 非共振量子比特提供了实现高整流因子所必需的不对称性，最优性能出现在特定失谐和耦合强度下。
• 在有利的参数区域，整流因子可达到约0.8，且在共振条件附近和强DM耦合时实现最大增强。
• DM场各向异性的方向显著影响整流效率，其中z方向对齐时结果最为有利。
• 稳态密度矩阵中相干性的不对称性被识别为整流的根本资源，且独立于布居数不平衡。
• 全局主方程的解析解表明，整流源于非平衡量子相干性动力学，而不仅仅是布居梯度。