Dérivation de la limite fondamentale du courant thermique dans les systèmes à plusieurs particules de la mécanique quantique
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Au cours des dernières années, des recherches ont été menées sur les technologies quantiques exploitant les propriétés mécaniques quantiques d’entités microscopiques. La thermodynamique quantique est un domaine notable dans ce domaine. Dans ce domaine, les moteurs thermiques quantiques et les batteries quantiques, exploitant les caractéristiques quantiques, ont été étudiés théoriquement et testés en pratique. Un indicateur critique des performances de tels dispositifs est l’ampleur du courant thermique (chaleur transférée par unité de temps) circulant de l’environnement ambiant vers le système quantique à mesure que la taille du système augmente. Cependant, la limite fondamentale du courant thermique circulant dans un tel ensemble de systèmes quantiques reste indéfinie.
Dans cette étude, les chercheurs ont dérivé mathématiquement une nouvelle inégalité qui définit la limite du courant thermique circulant dans un système quantique. Sur la base de cette inégalité, ils ont démontré qu’à mesure qu’un système quantique intègre un nombre croissant de particules, le courant thermique circulant dans le système n’augmente pas plus rapidement qu’une fonction cubique du nombre de particules.
En outre, ils ont dérivé une inégalité applicable dans des conditions plus réalistes dans lesquelles le courant thermique n’augmente pas plus rapidement qu’une fonction carrée du nombre de particules. Il est intéressant de noter que le phénomène lié au rayonnement énergétique appelé « super-radiance » a été identifié comme le mécanisme le plus efficace pour atteindre la limite fondamentale du courant thermique dérivée dans cette étude.
Alors que des recherches antérieures avaient fait allusion à une augmentation non linéaire du courant thermique en ce qui concerne le nombre de particules dans divers scénarios spécifiques, cette étude est pionnière en identifiant une limite fondamentale universellement applicable. Ces découvertes pourraient notamment jouer un rôle déterminant dans le refroidissement des moteurs associés aux dispositifs quantiques et à d’autres applications similaires.
Ce travail a été soutenu par JSPS KAKENHI (n° 20H01827), Moonshot R&D de JST (n° JPMJMS2061) et JST PRESTO (n° JP-MJPR1919), Japon.
