Квантовое перемешивание, трещотки и откачка - Quantum stirring, ratchets, and pumping
Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста помоги Улучши это или обсудите эти вопросы на страница обсуждения. (Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)
|
А насос является переменный ток -приводной устройство что порождает постоянный ток (ОКРУГ КОЛУМБИЯ). В простейшей конфигурации насос имеет два вывода, подключенных к двум резервуарам. В такой открытой геометрии насос забирает частицы из одного резервуара и выбрасывает их в другой. Соответственно, ток возникает, даже если резервуары имеют одинаковую температуру и химический потенциал.
Перемешивание представляет собой операцию создания циркулирующего тока с ненулевой постоянной составляющей в замкнутой системе. Самая простая геометрия получается путем включения насоса в замкнутый контур. В более общем плане можно рассматривать любой тип перемешивающего механизма, такой как перемещение ложки в чашке с кофе.
Основные наблюдения
Эффекты накачки и перемешивания в квантовой физике имеют аналоги в чисто классических стохастических и диссипативных процессах.[1] Исследования квантовой накачки[2][3] и квантового перемешивания[4] подчеркивают роль квантовой интерференции в анализе индуцированного тока. Основная задача - рассчитать сумму перемещаемых частиц за цикл движения. Есть обстоятельства, при которых является целым числом из-за топологии пространства параметров.[5] В более общем смысле зависит от межчастичные взаимодействия, беспорядок, хаос, шум и рассеяние.
Электрическое перемешивание явно нарушает симметрию обращения времени. Это свойство можно использовать для индукции спиновой поляризации в обычных полупроводниках чисто электрическими средствами.[6] Строго говоря, перемешивание - это нелинейный эффект, потому что в теории линейного отклика (LRT) возбуждение переменного тока индуцирует переменный ток с той же частотой. Все еще адаптация LRT Кубо формализм позволяет анализ перемешивания. Задачу квантовой накачки (где у нас есть открытая геометрия) можно рассматривать как частный предел проблемы квантового перемешивания (где у нас есть замкнутая геометрия). При желании последние могут быть проанализированы в рамках теория рассеяния. Насосные и перемешивающие устройства являются близкими родственниками храповых систем.[7] Последние определяются в данном контексте как пространственно-периодические массивы, управляемые переменным током, в которых индуцируется постоянный ток.
Можно вызвать постоянный ток, приложив смещение, или, если частицы заряжены, приложив электродвижущую силу. В отличие от этого, квантовый механизм накачки создает постоянный ток в ответ на циклическую деформацию ограничивающего потенциала. Чтобы получить постоянный ток от привода переменного тока, необходимо нарушить симметрию обращения времени (TRS). В отсутствие магнитного поля и диссипации TRS может нарушить сам привод. Соответственно, работа адиабатического насоса основана на изменении более чем одного параметра, тогда как для неадиабатических насосов [8] [9][10] для генерации постоянного тока может быть достаточно модуляции одного параметра. Самый известный пример - перистальтический механизм, который сочетает в себе циклическую операцию сжатия с включением / выключением входных / выходных клапанов.
Адиабатическая квантовая накачка тесно связана с классом токовых наномоторов, называемых Адиабатический квантовый двигатель. Если в квантовом насосе периодическое движение некоторых классических параметров перекачивает квантовые частицы из одного резервуара в другой, то в квантовом двигателе постоянный ток квантовых частиц вызывает циклическое движение классического устройства. Указанная связь обусловлена Взаимные отношения Онзагера между электрическими токами и силы, вызванные током , взятые как обобщенные потоки, с одной стороны, и химические потенциалы смещают и скорость управляющих параметров , взятые как обобщенные силы, с другой стороны.,[4][11][12][13][14][15]
- .
куда и - индексы по механическим степеням свободы и отведениям соответственно, а субиндекс ""означает, что количества следует оценивать в состоянии равновесия, т. е. и . Интегрирование приведенного выше уравнения для системы с двумя выводами дает хорошо известную связь между накачиваемым зарядом за цикл , работа, проделанная мотором , а напряжение смещения ,[11][12][13][14][15]
- .
Подход Кубо к квантовому перемешиванию
Рассмотрим замкнутую систему, описываемую гамильтонианом что зависит от некоторых параметров управления . Если - магнитный поток Ааронова Бома через кольцо, то по закону Фарадея это электродвижущая сила. Если применима теория линейного отклика, мы имеем пропорциональность , куда называется омической проводимостью. Совершенно аналогично, если мы изменим ток , и если мы изменим ток , куда и являются элементами матрицы проводимости. Соответственно для полного цикла откачки:
Проводимость можно рассчитать и проанализировать, используя подход формулы Кубо к квантовой накачке,[16] который основан на теории адиабатических процессов.[5] Здесь мы пишем выражение, которое применяется в случае низкочастотного «квазистатического» процесса вождения (популярные термины «вождение постоянным током» и «адиабатическое вождение» оказываются обманчивыми, поэтому мы их не используем):
куда - текущий оператор, и - обобщенная сила, связанная с управляющим параметром . Хотя эта формула написана с использованием квантово-механических обозначений, она также выполняется классически, если коммутатор заменен скобками Пуассона. В целом можно записать как сумму двух членов: один имеет отношение к диссипации, а другой обозначается как имеет отношение к геометрии. Диссипативная часть исчезает в строгом квантовом адиабатическом пределе, а геометрическая часть может быть ненулевым. Оказывается, в строгом адиабатическом пределе это "Кривизна ягод "(математически известный как" двухформный "). Используя обозначения и мы можем переписать формулу для количества накачиваемых частиц как
где мы определяем вектор нормали как показано. Преимущество этой точки зрения заключается в интуиции, которую она дает для результата: связано с потоком поля который создается (так сказать) «магнитными зарядами» в Космос. На практике расчет выполняется по следующей формуле:
Эту формулу можно рассматривать как квантовый адиабатический предел формулы Кубо. Собственные состояния системы помечаются индексом . Как правило, это множество состояний тела, а энергии в целом - это многие энергии тела. При конечных температурах среднее тепловое за неявно. Поле можно рассматривать как ротор «векторного потенциала» (математически известная как «однократная»). А именно, . ``Ягодная фаза "который приобретается волновой функцией в конце замкнутого цикла,
Соответственно, можно утверждать, что «магнитный заряд», генерирующий (так сказать) поле состоит из квантованных «монополей Дирака». Из калибровочной инвариантности следует, что вырождения системы располагаются в виде вертикальных цепочек Дирака. «Монополи Дирака» расположены на точки, где имеет вырождение с другим уровнем. Картина монополей Дирака[17] полезен для анализа переноса заряда: количество переносимого заряда определяется количеством цепей Дирака, окруженных циклом откачки. При желании можно оценить переносимый заряд за цикл откачки из фазы Берри, дифференцируя его по потоку Ааронова-Бома через устройство.[18]
Рассеивающий подход к квантовой накачке
Омическая проводимость мезоскопического устройства, соединенного выводами с резервуарами, определяется формулой Ландауэра: в безразмерных единицах омическая проводимость открытого канала равна его пропусканию. Расширение этой точки зрения на рассеяние в контексте квантовой накачки приводит к формуле Брауэра-Буттикера-Претра-Томаса (БПТ)[2] который связывает геометрическую проводимость с матрица насоса. В пределе низких температур дает
Здесь - это проектор, который ограничивает операции трассировки открытыми каналами отведения, где измеряется ток. Эта формула BPT была первоначально получена с использованием метода рассеяния,[19] но позже его связь с формулой Кубо была выяснена.[20]
Эффект взаимодействий
В недавней работе рассматривается роль взаимодействий в перемешивании бозе-конденсированных частиц.[21] В остальном остальная литература касается в первую очередь электронных устройств.[22] Обычно насос моделируется как квантовая точка. Влияние электрон-электронных взаимодействий внутри точечной области учитывается в режиме кулоновской блокады или в режиме Кондо. В первом случае перенос заряда квантуется даже в случае малого обратного рассеяния. Отклонение от точного квантованного значения связано с диссипацией. В режиме Кондо при понижении температуры эффект накачки изменяется. Есть также работы, которые рассматривают взаимодействия по всей системе (включая отведения) с использованием жидкостной модели Латтинжера.
Квантовая накачка в деформируемых мезоскопических системах
Квантовый насос, когда он связан с классическими механическими степенями свободы, может также вызывать циклические изменения связанных с ним механических степеней свободы. В такой конфигурации насос работает аналогично квантовому наномотору. Парадигматическим примером этого класса систем является квантовая помпа, связанная с упруго деформируемой квантовой точкой.[23] Упомянутая парадигма была обобщена для включения нелинейных эффектов и стохастических флуктуаций.[24][25]
Непериодическая квантовая накачка
В большинстве предложенных примеров квантовой накачки есть один или несколько параметров, которые циклически меняются во времени. Однако теоретически было показано[26] что затухающие колебания набора параметров также могут быть использованы для генерации ненулевых накачиваемых зарядов в течение длительного времени. Это явление получило название геометрического выпрямления колебательных токов. В таком случае интерес представляет собой асимптотический накачиваемый заряд, то есть полный заряд, перекачиваемый из резервуара или в резервуар за бесконечное время, вместо мгновенного тока, который квазипериодически меняет свой знак, или накачиваемого заряда за цикл, a количество, теряющее смысл из-за отсутствия определенных циклов.
Здесь, - заряд электрона, - асимптотический закачиваемый заряд из пласта , где `` асимптотическая относится к длительному пределу перекачиваемого заряда , т.е. . Режимы механической части системы обозначены , и - коэффициент излучения, определяемый в низкотемпературном пределе как
- ,
куда - элемент матрицы рассеяния который соединяет канал проводимости принадлежащий какому-либо резервуару, каналу проводимости принадлежащий водохранилищу ( - амплитуда передачи для и принадлежность к разным резервуарам или амплитуда отражения в противном случае).
Смотрите также
- Квантовая механика
- Броуновская трещотка
- Геометрическая фаза § Эффект стохастической накачки
- Адиабатический квантовый двигатель
Рекомендации
- ^ Н. А. Синицын (2009), «Эффект стохастической накачки и геометрические фазы в диссипативных и стохастических системах», J. Phys. A: Математика. Теор., 42 (19): 193001, arXiv:0903.4231, Bibcode:2009JPhA ... 42с3001С, Дои:10.1088/1751-8113/42/19/193001
- ^ а б M. Buttiker, H. Thomas и A. Pretre, Z. Phys. B Конденс. Мат. 94, 133 (1994).
П. В. Брауэр, Phys. Ред. B 58, R10135 (1998).
Альтшулер Б.Л., Глазман Л.И., Science 283, 1864 (1999).
Дж. А. Аврон, А. Элгарт, Г. М. Граф, Л. Садун, Phys. Ред. B 62, R10618 (2000).
Д. Коэн, Phys. Ред. B 68, 201303 (R) (2003).
М. Москалец, М. Бюттикер, Phys. Ред. B 68, 161311 (2003). - ^ М. Свиткс, К. М. Маркус, К. Кэмпман, А. К. Госсард, Science 283, 1905 (1999).
- ^ а б Д. Коэн, arXiv: cond-mat / 0208233 (2002).
Д. Коэн, Phys. Ред. B 68, 155303 (2003).
M. Aunola, J. J. Toppari, Phys. Ред. B 68, 020502 (2003).
Д. Коэн, Т. Коттос, Х. Шанц, Phys. Ред. E 71, 035202 (R) (2005).
G. Rosenberg, D. Cohen, J. Phys. А 39, 2287 (2006).
I. Sela, D. Cohen, J. Phys. А 39, 3575 (2006).
М. Хиллер, Т. Коттос и Д. Коэн, Europhysics Letters 82, 40006 (2008); Phys. Ред. A 78, 013602 (2008).
I. Sela, D. Cohen, Phys. Ред. B 77, 245440 (2008); Phys. Ред. B 78, 155404 (2008). - ^ а б Д. Дж. Таулесс, Phys. Ред. В 27, 6083 (1983).
Q. Niu, D. J. Thouless, J. Phys. А 17, 2453 (1984).
М.В. Берри, Proc. R. Soc. Лондон. А 392, 45 (1984).
J.E. Avron, A. Raveh и B. Zur, Rev. Mod. Phys. 60, 873 (1988).
М.В. Берри, Дж. М. Роббинс, Proc. R. Soc. Лондон. А 442, 659 (1993). - ^ Першин, Ю. V; Синицын, Н. А .; Коган, А; Саксена, А; Смит, Д. (2009), "Управление поляризацией спина с помощью электрического перемешивания: предложение для спинтронного устройства", Appl. Phys. Lett., 95 (2): 022114, arXiv:0906.0039, Bibcode:2009АпФЛ..95б2114П, Дои:10.1063/1.3180494.
- ^ P. Reimann Phys. Отчет 361 (2002) 57
H. Schanz, M. F. Otto, R. Ketzmerick и T. Dittrich Phys. Rev. Lett. 87 (2001) 070601
H. Schanz, T. Dittrich, R. Ketzmerick Phys. Ред. E 71 (2005) 026228
Т. Диттрих, М. Гутьеррес и Г. Синуко Physica A 327 (2003) 145
H. Linke et al., Appl. Phys. А 75 (2002) 237-246. - ^ Ван, Б .; Wang, J .; Гуо, Х. (2002), "Параметрическая накачка на конечной частоте", Phys. Ред. B, 65 (7): 073306, arXiv:cond-mat / 0107078, Bibcode:2002PhRvB..65g3306W, Дои:10.1103 / PhysRevB.65.073306
- ^ Фоа Торрес, L.E.F. (2005), «Монопараметрическая квантовая накачка заряда: взаимодействие между пространственной интерференцией и туннелированием с помощью фотонов», Phys. Ред. B, 72 (24): 245339, arXiv:cond-mat / 0511223, Bibcode:2005PhRvB..72x5339F, Дои:10.1103 / PhysRevB.72.245339
- ^ Kaestner, B .; Кащеевы, В .; Amakawa, S .; Li, L .; Блюменталь, доктор медицины; Janssen, T.J.B.M .; Hein, G .; Pierz, K .; и другие. (2008), "Однопараметрическая неадиабатическая квантованная накачка заряда", Phys. Ред. B, 77 (15): 153301, arXiv:0707.0993, Bibcode:2008PhRvB..77o3301K, Дои:10.1103 / PhysRevB.77.153301.
- ^ а б Рауль Бустос-Марун, Хиль Рафаэль и Феликс фон Оппен. Адиабатические квантовые двигатели. Phys. Rev. Lett., 111: 060802, (2013)
- ^ а б Лукас Х. Фернандес-Алькасар, Рауль А. Бустос-Мару и Горацио М. Паставски, Декогеренция в силах, индуцированных током: приложение к адиабатическим квантовым двигателям, Phys. Ред. B 92, 075406 (2015).
- ^ а б Мария Флоренсия Людовико, Франческа Баттиста, Феликс фон Оппен и Лилиана Аррахея, Адиабатический отклик и квантовые термоэлектрики для квантовой системы с переменным током, Phys. Ред. B 93, 075136 (2016).
- ^ а б Лукас Х. Фернандес-Алькасар, Орасио М. Паставски и Рауль А. Бустос-Марун, Динамика и декогеренция в неидеальных квантовых двигателях Таулеса. Phys. Ред. B 95, 155410 (2017).
- ^ а б Эрнан Л. Кальво, Федерико Д. Рибетто и Рауль А. Бустос-Марун, Диаграммный подход к силам, индуцированным током в реальном времени: применение к наномоторам на основе квантовых точек, Phys. Ред. B 96, 165309 (2017).
- ^ Коэн Д. (2003), "Квантовая накачка в замкнутых системах, адиабатический перенос и формула Кубо", Phys. Ред. B, 68 (15): 155303, arXiv:cond-mat / 0307619, Bibcode:2003PhRvB..68o5303C, Дои:10.1103 / PhysRevB.68.155303.
- ^ Дорон Коэн (2005), "Классическая и квантовая накачка в замкнутых системах", Твердотельные коммуникации, 133 (9): 583–588, arXiv:cond-mat / 0208233, Bibcode:2005SSCom.133..583C, Дои:10.1016 / j.ssc.2004.12.027.
- ^ M. Aunola, J. J. Toppari, Phys. Ред. B 68, 020502 (2003).
- ^ M. Buttiker, H. Thomas и A Pretre, Z. Phys. B Конденс. Мат. 94, 133 (1994).
- ^ Д. Коэн, Phys. Ред. B 68, 201303 (R) (2003).
- ^ М. Хиллер, Т. Коттос и Д. Коэн, Europhysics Letters 82, 40006 (2008); Phys. Ред. A 78, 013602 (2008).
- ^ И. Л. Алейнер, А. В. Андреев Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 1286.
C. Liu, Q. Niu Phys. Ред. B 48 (1993) 18320.
M. Blaaboer и E. J. Heller Phys. Ред. B 64 (2001) 241301.
B. Wang, J. Wang Phys. Ред. B 65 (2002) 233315.
J. Splettstosser, M. Governale, J. Konig и R. Fazio cond-mat / 0506080.
T. Aono Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 116601.
Q. Niu, D. J. Thouless J. Phys. А 17 (1984) 2453.
P. Sharma, C. Chamon Phys. Rev. Lett. 87 (2001) 96401.
Андреев А.В., Мищенко Е.Г. Phys. Ред. B 64 (2001) 233316.
P. Sharma, C. Chamon Phys. Ред. B 68 (2002) 35321.
R. Citro, N. Andrei, Q. Niu Phys. Ред. B 68 (2003) 165312.
Голубев Д.С., Заикин А.С., cond-mat / 0010493.
Э. Села и Ю. Орег cond-mat / 0509467.
E. Cota, R. Aguado и G. Platero Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 107202.
F. Cavaliere, M. Governale и J. König Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 136801. - ^ Ромео, Ф .; Ситро, Р. (21 декабря 2009 г.). «Квантовая накачка в деформируемых квантовых точках». Физический обзор B. 80 (23): 235328. arXiv:0909.0367. Bibcode:2009PhRvB..80w5328R. Дои:10.1103 / PhysRevB.80.235328.
- ^ Ромео, Ф .; Ситро, Р. (13 августа 2010 г.). «Эффекты памяти в адиабатической квантовой накачке с паразитной нелинейной динамикой». Физический обзор B. 82 (8): 085317. arXiv:1010.1151. Bibcode:2010ПхРвБ..82х5317Р. Дои:10.1103 / PhysRevB.82.085317.
- ^ Perroni, C.A; Ромео, F; Ночера, А; Марильяно Рамалья, V; Citro, R; Катоделла, V (14.08.2014). «Шумовая накачка заряда в упруго деформируемых молекулярных переходах». Журнал физики: конденсированное вещество. 26 (36): 365301. arXiv:1307.6834. Bibcode:2014JPCM ... 26J5301P. Дои:10.1088/0953-8984/26/36/365301. ISSN 0953-8984.
- ^ Рауль А. Бустос-Марун, "Геометрическая ректификация для сбора колебательной энергии в наномасштабе", Phys. Ред. B 97, 075412 (2018).
Несортированный
- Б. Л. Хазелзет, М. Р. Вегевийс, Т. Х. Стооф, Ю. В. Назаров, Phys. Ред. B 63 (2001) 165313
- О. Энтин-Вольман, А. Агарони, В. Кащеевы, Turk. J. Phys. 27 (2003) 371
- J. N. H. J. Cremers и P. W. Brouwer Phys. Ред. B 65 (2002) 115333
- И. Л. Алейнер, Б. Л. Альтшулер, А. Каменев, Phys. Ред. B 62 (2000) 10373
- E. R. Mucciolo, C. Chamon и C. M. Marcus Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 146802
- T. Aono Phys. Ред. B 67 (2003) 155303
- О. Энтин-Вольман, Ю. Левинсон, П. Вёльфле Phys. Ред. B 64 (2001) 195308
- Ф. Хеккинг и Ю. Назаров, Phys Rev. B 44 (1991) 9110
- Ф. Чжоу, Б. Спивак и Б.Altshuler Phys. Rev. Lett. 82 (1990) 608
- Y. Wei, J. Wang, H. Guo, Phys. Ред. B 62 (2000) 9947
- Y. Wei1, J. Wang, H. Guo, C. Roland Phys. Ред. B 64 (2001) 115321
- Q. Niu, Phys. Ред. B 34 (1986) 5093
- J. A. Chiang, Q. Niu, Phys. Ред. A 57 (1998) 2278
- Ф. Хеккинг и Ю. Назаров, Phys Rev. B 44 (1991) 11506
- М. Г. Вавилов, В. Амбегаокар, И. Алейнер, Phys Rev. B 63 (2001) 195313
- В. Кащеев, А. Агарони, О. Энтин-Вольман, Eur. Phys. J. B 39 (2004) 385
- В. Кащеев, А. Агарони, О. Энтин-Вольман Phys. Ред. B 69 (2004) 195301
- О. Энтин-Вольман, А. Агарони, В. Кащеев, J. Физического общества Японии 72, Supp. А (2003) 77
- O. Entin-Wohlman, A. Aharony Phys. Ред. B 66 (2002) 035329
- O. Entin-Wohlman, A. Aharony, Y. Levinson Phys. Ред. B 65 (2002) 195411
- Ю. Левинсон, О. Энтин-Вольман и П. Вёльфле Physica A 302 (2001) 335
- L. E. F. Foa Torres Phys. Ред. B 72 (2005) 245339