量子可逆性を利用した微小熱機関の有限時間操作プロトコル構築に関する研究

点击翻译按钮获取中文摘要

我々の日常生活で取り扱う物質の熱的な性質は，熱力学によって理解・記述されている．その代表的な成果は蒸気機関や内燃機関などの熱機関として結実し，われわれの生活を支えている．しかし，熱機関においてエネルギー変換の媒体として利用される作業媒質のスケールをどのように変化しても，熱力学が成り立つのか，また，熱機関の効率は作業媒質の大きさによってどのように変化するのか，という問いに対する取り組みが盛んに行われている．特に，作業媒質を原子・分子といったミクロなスケールの実体とした微小熱機関に関する理論研究が加速している．のみならず，量子技術の急速な進展を背景に，実験も数多く行われている．しかし熱機関に量子力学的視点を持ち込む際，「量子性」の果たす役割の明確化は未だ挑戦的な課題として残されている．本研究は，この量子性として特に，量子コヒーレンスと，熱浴の相関時間程度の短時間領域の振る舞い（非マルコフ効果）の量子可逆性に注目し，量子熱機関の熱効率への影響を明らかにすることを目的とする．具体的には， 1/2スピンを作業媒質とし，各過程を有限時間で操作するモデルを考え，量子可逆性が熱機関効率を向上させる条件を探索し，「量子性」を利用した有限時間操作可能な微小熱機関の理論構築を行うことを目指している．本研究の開始にあたり，今年度は熱機関を構成する基本要素に分けて検討を行った．まず，1/2スピンが熱浴と相互作用している系において，量子コヒーレンスが果たす役割についてのエネルギー的視点からの考察を行い，論文発表を行った．また，量子コヒーレンスの制御の具体的実装提案を見越して，回転磁場の影響を取り込んだ完全係数統計の枠組みを整え，量子ドットー電子溜系に適用を行った結果について，日本物理学会および国際会議にて発表を行った．