Схема квантовой схемы генерации теплового тока, реализованной в системе, состоящей из L частиц, окруженных N B ваннами. Для параллельной схемы L- частицы используются параллельно.
Фото: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.090401.

Исследователи из Университета Цукубы математически вывели фундаментальный предел теплового тока, втекающего в квантовую систему, состоящую из множества квантово-механических частиц, в зависимости от количества частиц.

За последние несколько лет проводились исследования квантовых технологий, использующих квантово-механические свойства микроскопических объектов. Квантовая термодинамика является заметной областью в этой области. В этой области теоретически изучались и практически тестировались квантовые тепловые двигатели и квантовые батареи, использующие квантовые характеристики.

Критическим показателем производительности таких устройств является величина теплового тока (тепло, передаваемое в единицу времени), поступающего из окружающей среды в квантовую систему по мере увеличения размера системы. Однако фундаментальный предел теплового тока, втекающего в такой ансамбль квантовых систем, остается неопределенным.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, учёные математически вывели новое неравенство, которое определяет предел теплового тока, поступающего в квантовую систему. Основываясь на этом неравенстве, они продемонстрировали, что по мере того, как квантовая система включает в себя все большее число частиц, тепловой ток, текущий в систему, не растет быстрее, чем кубическая функция количества частиц.

Более того, они вывели неравенство , применимое в более реалистичных условиях, когда тепловой поток не растет быстрее, чем квадратичная функция количества частиц. Интересно, что явление, связанное с энергетическим излучением, называемое «сверхизлучением», было идентифицировано как наиболее эффективный механизм достижения фундаментального предела теплового тока, полученного в этом исследовании.

Хотя более ранние исследования намекали на нелинейный всплеск теплового тока в зависимости от количества частиц в различных конкретных сценариях, это исследование является новаторским в определении фундаментального предела, который универсально применим. Примечательно, что эти результаты могут оказаться полезными для охлаждения двигателей, связанных с квантовыми устройствами и другими подобными приложениями.