Local aspects of modular quantum systems in nonequilibrium

Abstract

Thermodynamics and statistic physics developed as one of the most fruitful physical concepts. Seen from the scientific point of view their range of application extends over far areas, not only in physics. The progressive nano-technology makes it necessary, the applicability for that already admitted concepts from classical thermodynamics on the microscopic level to examine. Questions about the extensivity of the energy and entropy, as well as about the existence of a temperature are just as important as the investigation of thermodynamic cyclic processes for quantum systems.

With the help of the theory of open quantum systems stationary nonequilibrium states are simulated. If the quantum system under consideration is not driven heat transport can be examined. The question about local characteristics of individual subsystems is inherent. Because only if the local change of energy of a subsystem is known, a local heat or energy current can be determined. The interaction between the subsystems is for the characterisation of the energy transfer of crucial importance. A quantum-mechanical analysis shows, that by the choice of the measuring basis in an experiment specifies variables such as work and heat.

For driven quantum systems in nonequilibrium it shows up that from classical thermodynamics admitted cyclic processes are realizable. The simplest quantum system, a spin can undergo, e.g., an Otto-cycle if suitable embedded and operates thus as heat pump or heat engine. The work mode depends on the local energy splitting as well as on the temperature gradient.

Die Thermodynamik und statistische Physik hat sich als eines der fruchtbarsten physikalischen Konzepte entwickelt. Vom wissenschaftlichen Standpunkt aus gesehen erstreckt sich ihr Anwendungsbereich über weite Gebiete, nicht nur der Physik. Die fortschreitende Nanotechnologie macht es erforderlich, die Anwendbarkeit der bereits bekannten Konzepte aus der klassischen Thermodynamik auf der mikroskopischen Ebene zu überprüfen. Fragen nach der Extensivität der Energie und Entropie, sowie nach der Existenz einer Temperatur sind dabei genauso wichtig wie die Untersuchung thermodynamischer Kreisprozesse für Quantensysteme.

Mit Hilfe der Theorie offener Quantensysteme werden stationäre Nichtgleichgewichtszustände simuliert. Im ungetriebenen Fall kann so der Wärmetransport durch Quantensysteme untersucht werden. Inhärent ist die Frage nach lokalen Eigenschaften einzelner Subsysteme. Denn nur wenn die lokale Energieänderung eines Subsystems bekannt ist, kann ein lokaler Wärme- oder Energiestrom bestimmt werden. Die Wechselwirkung zwischen den Subsystemen ist für die Charakterisierung des Energietransports von entscheidender Bedeutung. Eine quantenmechanische Analyse zeigt, dass durch die Wahl der Meßbasis im Experiment Größen wie Arbeit und Wärme festgelegt werden.

Für getriebene Quantensysteme im Nichtgleichgewicht zeigt sich, dass die aus der klassischen Thermodynamik bekannten Kreisprozesse realisierbar sind. Das einfachste Quantensystem, ein Spin kann bei geeigneter Einbettung z.B. einen Otto-Zyklus durchlaufen und somit als Wärmepumpe oder Wärmekraftmaschine arbeiten. Der Arbeitsmodus hängt dabei von der lokalen Aufspaltung sowie des äußern Temperaturgradient ab.