Dinámica de sistemas cuánticos fuera del equilibrio : corriente y rectificación térmica

Abstract

RESUMEN: Los sistemas cuánticos abiertos han sido estudiados extensamente debido a que describen de forma más adecuada la realidad, asociando el entorno a los objetos cuánticos y haciéndolo partícipe de su dinámica. En este proyecto se estudiaron preguntas fundamentales de sistemas cuánticos abiertos por fuera del equilibrio, espećıficamente de un qubit o sistema de dos niveles acoplados a dos reservorios a diferentes temperaturas. Se estudió (i) como la naturaleza del reservorio, en particular la aplicación de un campo magnético, afecta la dinámica reducida del qubit, la corriente térmica entre dos reservorios y la rectificación térmica,(ii) como el acoplamiento en un subsistema más complejo puede afectar la corriente térmica y la rectificación explorando una configuración de transistor térmico. En ambas preguntas se consideraron técnicas markovianas para la dinámica reducida del qubit. El tema de sistemas cuánticos por fuera del equilibrio también tiene interés desde un punto de vista de aplicaciones tecnológicas relacionadas con la termodinámica cuántica, donde se busca lograr una alta rectificación del calor, factor fundamental para el diseño y construcción de diodos térmicos. En ambas configuraciones se encontró un factor de rectificación maximo acompañado de conductividad térmica diferencial negativa (NDTC por su sigla en inglés) por lo tanto, los dispositivos presentados en esta tesis son buenos candidatos a dispositivos termotrónicos, demostrando que la naturaleza de los reservorios y parámetros fácilmente controlables experimentalmente como campos magnéticos externos, aumentan la rectificación.

ABSTRACT: Open quantum systems have been extensively studied because they describe reality in a more adequate way, associating the environment with quantum objects and making it participate in its dynamics. In this thesis, fundamental questions of open quantum systems out of equilibrium were studied, specifically a qubit or two-level system coupled to two reservoirs at different temperatures. We studied (i) how the nature of the reservoir, in particular the application of a magnetic field, affects the reduced dynamics of the qubit and the thermal current between two reservoirs, (ii) how the coupling in a more complex subsystem can affect the thermal current and rectification and the use of those results to build a thermal transistor configuration. In both questions, Markovian technics were considered for the reduced dynamics of qubit. The issue of quantum systems out of equilibrium also has interest from a point of view of technological applications related to quantum thermodynamics, where a high rectification of heat is sought, a fundamental factor for the design and construction of thermal diodes. In both configurations a maximum rectification factor was found, accompanied by NDTC. Therefore the devices presented in this thesis are good candidates for thermotronic devices, demonstrating that the nature of the reservoirs and easily controllable parameters can indeed increase the rectification.