Non-reciprocal heat transfer in quantum systems

Abstract

Isı bolluğu onu enerji kaynağı olarak iyi bir aday yapar, ancak ısıyı manipüle etme kabiliyetimiz çok sınırlıdır. Yeni bir ısı kontrol yöntemi olarak, diyot, transistör vb. gibi karşılıklı olmayan elektronik cihazların termal analogları, bir çok çalışmada dikkat çekmiştir. Son zamanlarda, bu çalışmalar kuantum alanında cihazlar önermeye başladı ve önerilen bu kuantum termal cihazları, özellikle bu tezde odaklandığımız diyotlar, hala optimizasyon problemlerine sahiptir. İki etkileşimli qubit diyotu durumunda, rezonans qubitler için ısı yönlendirmesi yoktur. Bu tez çalışmasında, optomekanik benzeri bir kavrama ile birleşen etkileşim içindeki iki qubitin oluşturduğu bir kuantum termal diyodu ele alıyoruz. Global mastır denklemini türetiyoruz ve diyot davranışını göstermek için hem düz hem de Ohmik spektral yoğunlukları için ısı akımını hesaplıyoruz. Diyotun kalitesi, düzeltme faktörü olarak adlandırılan bir ölçü ile ölçülüyor. Zayıf ve güçlü qubit etkileşim rejimleri de dahil olmak üzere çok çeşitli sistem parametreleri için düzeltme faktörünü sayısal olarak hesaplıyoruz. Birim düzeltme faktörünün hem yüksek hem de düşük sıcaklık aralıklarında çeşitli parametreler için elde edildiğini göstermekteyiz. En önemlisi, qubitler rezonant frekanslara sahip olsalar bile neredeyse birim düzeltme mümkündür. Tüm bu sonuçlara yol açan fiziksel mekanizmayı açıklıyoruz ve mekanizmanın izin verilen enerji geçişleri ve/veya qubit-ısı banyosu etkileşimlerinin asimetrik olmasına bağlı olduğunu gösteriyoruz. Ayrıca geçişlerdeki asimetrinin, alt sistemlerin serbest Hamiltonlularında bir asimetri ve/veya bunların aralarındaki etkileşimi ile elde edildiğini de göstermekteyiz. Asimetri kaynaklarını iki oyuncak modeli ile örneklendiriyoruz. Bunlardan biri, mümkün olan en küçük diyot olan, tek qubit sistemi diğeri ise üç seviyeli bir atomdur. Bu iki sistem, diyot davranışları gösterse de, düzeltme yönünün çok az kontrolü vardır ve etkileşim içindeki iki qubit sistemi, diyotun çok yönlü kontrolünü sağlar.

Abundance of heat makes it a good candidate as an energy resource, but our ability in manipulating heat is so limited. As a new way of heat control, thermal analogs of non-reciprocal electronic devices, such as a diode, transistor, etc., caught attention in many works. Recently, these works started to propose devices in the quantum domain, and the proposed quantum thermal devices, especially diodes as our focus in this thesis, still have optimization problems. In the cases of two interacting qubits diodes, heat rectification is absent for resonant qubits. In this thesis, we consider a quantum thermal diode composed of two interacting qubits, coupled with an optomechanical- like coupling. We derive the global master equation and calculate the heat current for both flat and Ohmic spectral densities to show the diode behavior. Quality of the diode is quantified by a measure, called rectification factor. We numerically calculate the rectification factor for a wide range of system parameters, including weak and strong coupling regimes. We show that the unit rectification factor is obtained for various parameters both in high and low temperature ranges. Most importantly, almost unit rectification is possible even when the qubits have resonant transition frequencies. We explain the physical mechanism leading to all these results, and we show that the mechanism relies on allowed transition and/or bath couplings being asymmetric. We also demonstrate that the asymmetry in transitions is achieved by an asymmetry in free Hamiltonians of subsystems and/or interaction among them. Demonstrations for the sources of asymmetry are demonstrated with two toy models. One of them is a single qubit, which is the smallest possible diode, and the other is a three-level atom. Even though these two systems show diode behaviors, there is very little control of the rectification direction, and two interacting qubits provide versatile control of the diode.