量子協同現象を利用した巨視的量子熱機関の理論

強い量子力学的性質を示す微小系を作業物資に用いることで熱機関の性能を向上させることは、量子熱力学の重要なテーマの一つである．本研究では、相互に影響し合う量子熱機関を多数並列に動作させた場合に生じる熱機関群の協同的な現象を利用して巨視的な出力の増大を目指す．そのために不可欠なステップは、量子熱機関の動作効率と量子コヒーレンスの間の関係の理解である．このような観点から、本年度は本格的な量子熱機関群における量子コヒーレンスの役割を研究する前段階として、少数自由度の微小系（注目系）が環境と結合した開放量子系を対象に以下の検討を行なった．（１）熱機関を有限周波数の周期外場を印加することで有限スピードで制御する場合、注目系の状態は外場によって平衡から遠く引き離され、その際生じる量子状態間コヒーレンスが環境へのエネルギー散逸や量子輸送に重要な役割を演じる．そこで、本年度の研究ではこの有限スピード制御下での注目系の非平衡ダイナミクスと量子輸送を解析するための定式化を、外場と共に時間変化する座標系による表示と量子マスター方程式を用いて整備した．さらに、この定式化を電子溜（電極）と結合した量子ドットに回転磁場を印加することで量子ドットー電極間に生じる純スピン流の分析に適用した．（２）またその他の予備的な検討として、単一の２準位系（注目系）とボソン熱浴（環境系）が結合した開放量子系において、注目系と環境系の相互作用によって生じる注目系の量子状態間のコヒーレンスダイナミクスが環境系への熱散逸に及ぼす影響を明らかにした．

強い量子力学的性質を示す微小系を作業物資に用いることで熱機関の性能を向上させることは、量子熱力学の重要なテーマの一つである．本研究では、相互に影響し合う量子熱機関を多数並列に動作させた場合に生じる熱機関群の協同的な現象を利用して巨視的な出力の増大を目指す．そのために不可欠なステップは、量子熱機関の動作効率と量子コヒーレンスの間の関係の理解である．このような観点から、本年度は本格的な量子熱機関群における量子コヒーレンスの役割を研究する前段階として、少数自由度の微小系（注目系）が環境と結合した開放量子系を対象に以下の検討を行なった．（１）熱機関を有限周波数の周期外場を印加することで有限スピードで制御する場合、注目系の状態は外場によって平衡から遠く引き離され、その際生じる量子状態間コヒーレンスが環境へのエネルギー散逸や量子輸送に重要な役割を演じる．そこで、本年度の研究ではこの有限スピード制御下での注目系の非平衡ダイナミクスと量子輸送を解析するための定式化を、外場と共に時間変化する座標系による表示と量子マスター方程式を用いて整備した．さらに、この定式化を電子溜（電極）と結合した量子ドットに回転磁場を印加することで量子ドットー電極間に生じる純スピン流の分析に適用した．（２）またその他の予備的な検討として、単一の２準位系（注目系）とボソン熱浴（環境系）が結合した開放量子系において、注目系と環境系の相互作用によって生じる注目系の量子状態間のコヒーレンスダイナミクスが環境系への熱散逸に及ぼす影響を明らかにした．