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20202

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Publication Type: search.filters.UBSTyp.DissertationStart date: 2020End date: 2020Subject: search.filters.subject.530Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Theoretische Physik I

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    Fluctuations and correlations of quantum heat engines
    (2020) Denzler, Tobias; Lutz, Eric (Prof. Dr.)
    In this work we study the effect of quantum and thermal fluctuations on the statistics of quantum heat engine performance parameters, like efficiency and power. We begin by deriving an explicit solution for the characteristic function of the heat distribution of a thermal quantum harmonic oscillator. We then derive a general framework based on the standard two-point-measurement scheme to compute the efficiency distribution of a quantum Otto cycle. We analyze the generic properties of this distribution for scale-invariant driving Hamiltonians which describe a large class of single-particle, many-body, and nonlinear systems. We find that the efficiency is deterministic and that its mean is equal to the macroscopic efficiency for adiabatic driving. We continue our research by studying the efficiency large deviation function of two exemplary quantum heat engines, the harmonic oscillator and the two-level Otto cycles. While the efficiency statistics follow the ’universal’ theory of Verley et al. [Nature Commun. 5, 4721 (2014)] for nonadiabatic driving, we find that the latter framework does not apply in the adiabatic regime. We can relate this unusual property to the perfect anticorrelation between work output and heat input that suppresses thermal as well as quantum fluctuations. We then probe our findings in an experimental NMR setup using spin-1/2 systems and find them to agree rather well with our theoretical predictions. Afterward, we move on to the finite-time quantum Carnot cycle and investigate its power fluctuations. In particular, we consider how level degeneracy and level number, two commonly found properties in quantum systems, influence the relative work fluctuations. We find that their optimal performance may surpass those of nondegenerate two-level engines or harmonic oscillator motors. Our results highlight that these parameters can be employed to realize high-performance, high-stability cyclic quantum heat engines.
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    ItemOpen Access
    Phase-space resolved decay rates of driven systems near the transition state
    (2020) Feldmaier, Matthias; Main, Jörg (Prof. Dr.)
    Die Bewegung einzelner Atome oder Moleküle bei chemischen Reaktionen lässt sich in vielen Fällen durch klassische Mechanik auf einer Born-Oppenheimer Potentialfläche beschreiben. Hierbei sind die Reaktanten oft durch eine Rang-1 Barriere von den Produkten getrennt. Eine solche Barriere ist durch einen instabilen Freiheitsgrad, die Reaktionskoordinate und eine gegebene Anzahl an stabilen Freiheitsgraden, die orthogonalen Moden, charakterisiert. Eine reagierende Trajektorie wird die Barriere meist in der Sattelregion, d. h. in einer direkten Umgebung des Sattels, überqueren. Diese Region fungiert als Flaschenhals für die Reaktion. Im Rahmen der Theorie der Übergangszustände (engl. transition state theory, TST) können Reaktionsraten über den Fluss reaktiver Trajektorien durch eine nur einmal durchstoßene Trennfläche (engl. dividing surface, DS) berechnet werden. Eine solche Trennfläche ist an der normal hyperbolischen invarianten Mannigfaltigkeit (NHIM) des Sattels verankert und trennt das System in Reaktanten und Produkte. Die NHIM ist dabei ein spezieller Unterraum des vollen Phasenraums und enthält Trajektorien, welche für alle Zeiten an die Sattelregion gebunden sind. Da diese Trajektorien somit weder zur Reaktanten- noch zur Produktseite gehören, bildet die NHIM einen Übergangszustand (engl. transition state, TS) der Reaktion. Für getriebene Systeme ist dieser zeitabhängig. In dieser Arbeit werden anhand eines zweidimensionalen, getriebenen Modellsystems mehrere Methoden zur Berechnung von NHIM und DS im Phasenraum vorgestellt. Basierend auf der Dynamik in einer direkten Umgebung der NHIM werden außerdem verschiedene Ansätze zur Berechnung des zugehörigen Zerfalls der Reaktantenpopulation nahe des TS diskutiert. Anschließend werden die vorgestellten Methoden auf ein realistischeres chemisches Modell angewandt, der getriebenen LiCN <-> LiNC Isomerisationsreaktion. Ein wichtiges Resultat hierbei ist, dass das externe Treiben dieses Systems einen großen Einfluss hat, sowohl auf die Dynamik von Trajektorien in der NHIM, als auch auf den zugehörigen Zerfall der Reaktantenpopulation nahe des TS.