Termodinámica e información en sistemas cuánticos abiertos.
- Autores: Jorge Tabanera Bravo
- Directores de la Tesis: Juan Manuel Rodríguez Parrondo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Thermodynamics and information in open quantum systems.
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan José Mazo Torres (presid.), Armando Relaño Pérez (secret.), Rafael Alejandro Molina Fernández (voc.), Carlos Mejía Monasterio (voc.), Rafael Sánchez Rodrigo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
- Resumen
Entre las escalas macroscópica y microscópica existe una escala intermedia denominada mesoescala. A esta escala, los sistemas pequeños se ven influidos por su ruidoso entorno, siguen trayectorias fluctuantes y evitan las coherencias cuánticas. Los recientes avances en técnicas experimentales nos han permitido acceder a esta mesoescala, desvelando una rica fenomenología y proporcionando un control sin precedentes sobre nanodispositivos artificiales. El objetivo principal de esta tesis es describir la termodinámica de tales dispositivos, conectando modelos teóricos con novedosos hallazgos experimentales.
La primera parte de esta tesis se basa en el ámbito de la termodinámica de la información, una teoría física que se ha desarrollado en las últimas décadas. El papel de la información en la termodinámica ha sido objeto de debate desde los tiempos de Maxwell, pero ha cobrado renovada atención con la llegada de la teoría de la información de Shannon y los recientes avances experimentales y teóricos. El principio de Landauer establece un vínculo formal entre la disipación de energía y los procesos informáticos, sentando las bases de la termodinámica de la información.
En este trabajo, me centro en una implementación específica de un nanodispositivo, a saber, el resonador de un solo electrón. Este dispositivo implica un oscilador a nanoescala, como un nanotubo de carbono completamente suspendido, que es impulsado por la corriente estocástica de electrones que fluyen a través del tubo. La dinámica de este sistema puede describirse mediante una ecuación de Fokker-Planck, que engloba tanto el comportamiento del nanooscilador como el transporte ruidoso de electrones. Para probar este modelo pueden realizarse experimentos de autooscilación, en los que la excitación del oscilador es instantánea.
La termodinámica del resonador de un solo electrón puede deducirse directamente de la ecuación de Fokker-Planck. Nos permite definir magnitudes termodinámicas como el calor y el trabajo y derivar la desigualdad de Clausius, que encarna la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, debido a la naturaleza bipartita del sistema, la termodinámica puede describirse en términos de dos desigualdades distintas similares a la segunda ley -una para el oscilador y otra para el transporte de electrones- conectadas a través del flujo de información entre los subsistemas.
Por último, exploraré la física de los baños de colisión cuánticos para concluir el análisis. Estos modelos teóricos están diseñados para describir la interacción de un sistema cuántico con su entorno. La imagen intuitiva de un sistema de este tipo implica un sistema cuántico objetivo rodeado por un gas de partículas cuánticas más pequeñas, conocidas como ancillae, que colisionan ocasionalmente con el sistema objetivo. Sin embargo, la termodinámica de estos modelos a veces puede ser incoherente, dando lugar a efectos espurios y dificultando la termalización. En mi investigación, examinaré la relación de los depósitos colisionales cuánticos y estableceré las condiciones mínimas necesarias para que estos modelos exhiban un comportamiento térmico genuino. Esta discusión abordará un problema fundamental en el campo de los sistemas cuánticos abiertos: el problema de lo local frente a lo global.
