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Produção de entropia e fluxo de calor em sistemas quânticos abertos

Gabriel Artur Weiderpass

Published Aug 7, 2018• 0 citations
Publisher

Abstract

Neste trabalho estudamos a dinâmica completa de dois sistemas físicos, um oscilador harmônico simples conectado a um reservatório térmico e dois osciladores harmônicos acoplados cada um conectado a um reservatório térmico a temperatura distinta.Fizemos este estudo utilizando tanto integrais de trajetória quanto equações de Langevin quânticas visto que cada uma dessas metodologias se mostra adequada para a obtenção de certas propriedades e desejávamos estudar todo o espectro de grandezas.Para diferentes regimes dissipativos e temperaturas, estudamos a termalização destes sistemas analisando as energias cinética, potencial e interna, o fluxo de calor, a produção de entropia, a capacidade térmica de um oscilador harmônico e a condutância térmica entre dois reservatórios térmicos a temperaturas diferentes.Utilizamos métodos analíticos para obter as soluções exatas e numéricos para graficar estas grandezas.

DOI
10.47749/t/unicamp.2018.1060602

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Correlações quânticas entre dois osciladores conectados por um acoplamento dependente do tempo

Thales Figueiredo Roque

Neste trabalho analisamos a dinâmica das correlacoes quânticas em um sistema composto por dois osciladores harmonicos em contato com um mesmo reservatorio termico e acoplados entre si com um acoplamento dependente do tempo. O reservatorio termico modelado de acordo com o modelo de Caldeira-Leggett e tanto a abordagem via integrais de caminho quanto a abordagem via equacoes mestras sao usadas para estudar o sistema nos regimes Markoviano e nao-Markoviano. O Hamiltoniano que descreve o sistema e bilinear nos operadores de campo, isto significa que se repararmos o sistema em um estado Gaussiano, o estado do sistema sera sempre Gaussiano. Para um estado Gaussiano toda a informa ¸ao sobre as correlacoes quânticas esta contida na matriz de covariância s. Conhecida a matriz s podemos medir o emaranhamento usando a negatividade Logaritmica e calcular uma aproximacao para a discordia quântica em estados Gaussianos, que e a discordia Gaussiana. Nos mostramos que mesmo a temperaturas muito altas as correlacoes quânticas, inclusive o emaranhamento, persistem. Esta persistencia tem uma relacao estreita com a estabilidade do sistema. Como as correlacoes quânticas sao a principal assinatura da mecânica quântica, isto sugere que este tipo particular de acoplamento entre os osciladores pode reduzir a descoerencia, introduzida pela interacao com o reservatorio termico Abstract

•Sep 8, 2012•0 citations

Tratamento algébrico e computacionalmente eficiente para a interação entre sistema e meio ambiente

Tiago B. Batalhão

Realizamos nesse trabalho um tratamento abrangente da interação entre um sistema quântico e o meio ambiente modelado como um conjunto de osciladores harmônicos. Partimos para isso de um tratamento prévio de redes de osciladores harmônicos quânticos dissipativos. Utilizando a função característica, transformamos a equação de von Neumann em uma equação diferencial, e explorando a sua linearidade, essa é transformada em uma equação vetorial, cuja resolução é computacionalmente eficiente. Nosso formalismo, que parte de uma rede de osciladores harmônicos, não necessariamente dividida entre sistema e meio ambiente, permite que se contorne a necessidade da hipótese de acoplamento súbito sistema-reservatório para o tratamento exato da evolução do sistema. Em seguida, mostramos que essa evolução pode ser sempre descrita por uma equação mestra na forma usual de Lindblad, embora os coeficientes que a definem possam ser dependentes do tempo. Isso abre novas possibilidades para a dinâmica do sistema, e leva a efeitos que podem ser classificados de não-Markovianos, embora sejam descritos por uma equação mestra completamente local no tempo. Ressaltamos que, por ser baseado em uma solução exata, o método pode ser aplicado para qualquer intensidade de acoplamento, e é consideravelmente mais simples do que outros métodos disponíveis para esse fim, como os baseados em integrais de trajetória. Por fim, utilizamos simulações computacionais para explorar a validade das aproximações de ondas girantes e de Born-Markov, e os fenômenos que podem ser observados nos regimes em que elas deixam de ser válidas.

•Jul 26, 2012•0 citations

Dissipação quântica em sistemas abertos finitos

Carlos Fábio de Oliveira Mendes

Neste trabalho consideramos o aspecto dinâmico de sistemas quânticos abertos onde uma partícula fica sujeita a trocas de energia com o ambiente. O ambiente (banho) é composto de um número finito N de osciladores harmônicos (HOs), caracterizando um banho estruturado, para o qual um comportamento não-Markoviano é esperado. Determinamos a solução numérica da equação de Schrödinger estocástica para uma partícula acoplada ao banho. Estudamos duas situações distintas para o sistema de partícula: o potencial harmônico e o potencial de catraca. No limite N → ¥ o banho é assumido ter um espectro de densidade ôhmico, sub-ôhmico e super-ôhmico. No caso do potencial harmônico, para baixos valores de N observamos uma troca de energia entre sistema e banho indefinidamente no tempo, enquanto que para valores intermediários de N observa-se decaimento em dois regimes de tempo: exponencial para baixos valores de tempo e lei de potência para valores mais altos de tempo. No caso do potencial de catraca, observamos que a energia volta para o sistema até para valores intermediários de N. Pacotes de ondas são usadas para determinar a evolução da partícula nos potenciais do sistema.

•Dec 9, 2014•0 citations

Sobre o confinamento espacial de sistemas quânticos: o oscilador harmônico unidimensional e o átomo de hidrogênio

Marcos M. Almeida, Marcílio N. Guimarães, Frederico V. Prudente

Neste trabalho estudamos dois tipos de sistemas quânticos confinados em uma região do espaço limitada por uma barreira de potencial infinita: o oscilador harmônico unidimensional e o átomo de hidrogênio.Os dois sistemas são de grande importância no estudo de propriedades físicas, tais como o espectro vibracional de moléculas em sólidos e o espectro de energia para um modelo de átomo sob pressão.Para ambos os sistemas são obtidas soluções analíticas para as situações livre e confinada através da imposição de condições de contorno sobre a função de onda.O espectro de energia do sistema confinado é obtido a partir da implementação de programas computacionais que pesquisam as raízes de um polinômio.Os resultados obtidos mostram diferentes efeitos que ocorrem em sistemas confinados, permitindo fazer uma comparação com sistemas livres.Palavras-chave: confinamento

Revista de ensino de física•Sep 1, 2005•0 citations

Algebraic and computationally efficient treatment for the system-environment interaction

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•Jul 26, 2012•0 citations

Invariantes dinâmicos, estados coerentes e fases geométricas emmecânica quântica

Dibartolomei Antônio Pereira de Lima

Na presente tese, estudamos o oscilador harmonico generalizado com massa e frequencia dependentes do tempo e submetido a uma forca de friccao linear na velocidade cujo coeficiente de friccao depende do tempo, do ponto de vista classico e quântico. Obtivemos as solucoes da equacao de movimento classica deste sistema para alguns casos particulares e derivamos uma equacao de movimento que descreve simultaneamente tres sistemas diferentes. Em seguida, com a ajuda dos operadores invariantes quadraticos e a luz do metodo de invariantes dinâmicos encontramos as solucoes exatas da equacao de Schrodinger para este sistema. Tambem derivamos as fases geometrica, dinâmica e de Berry para este sistema nao-estacionario e as avaliamos para tres casos especiais. Ainda construimos estados coerentes para este sistema quantizado e os empregamos para investigar algumas propriedades quânticas tais como utuacoes quânticas da coordenada e momento bem como do produto das incertezas. Em seguida, utilizamos um operador invariante linear e usamos o metodo de invariantes dinâmicos para encontrar solucoes exatas da equacao de Schrodinger para um oscilador harmonico amortecido e forcado dependente do tempo. Com as solucoes desta equacao, construimos solucoes na forma de pacotes de onda Gaussianos assim como calculamos as utuacoes quânticas das coordenadas e momentos, bem como as correlacoes entre ambos. Finalmente, mostramos que a largura das utuacoes e correlacoes do pacote Gaussiano nao dependem da forca externa.

•Aug 8, 2014•0 citations
Neste trabalho estudamos a dinâmica completa de dois sistemas físicos, um oscilador harmônico simples conectado a um reservatório térmico e dois osciladores harmônicos acoplados cada um conectado a um reservatório térmico a temperatura distinta.Fizemos este estudo utilizando tanto integrais de trajetória quanto equações de Langevin quânticas visto que cada uma dessas metodologias se mostra adequada para a obtenção de certas propriedades e desejávamos estudar todo o espectro de grandezas.Para diferentes regimes dissipativos e temperaturas, estudamos a termalização destes sistemas analisando as energias cinética, potencial e interna, o fluxo de calor, a produção de entropia, a capacidade térmica de um oscilador harmônico e a condutância térmica entre dois reservatórios térmicos a temperaturas diferentes.Utilizamos métodos analíticos para obter as soluções exatas e numéricos para graficar estas grandezas.
Neste trabalho analisamos a dinâmica das correlacoes quânticas em um sistema composto por dois osciladores harmonicos em contato com um mesmo reservatorio termico e acoplados entre si com um acoplamento dependente do tempo. O reservatorio termico modelado de acordo com o modelo de Caldeira-Leggett e tanto a abordagem via integrais de caminho quanto a abordagem via equacoes mestras sao usadas para estudar o sistema nos regimes Markoviano e nao-Markoviano. O Hamiltoniano que descreve o sistema e bilinear nos operadores de campo, isto significa que se repararmos o sistema em um estado Gaussiano, o estado do sistema sera sempre Gaussiano. Para um estado Gaussiano toda a informa ¸ao sobre as correlacoes quânticas esta contida na matriz de covariância s. Conhecida a matriz s podemos medir o emaranhamento usando a negatividade Logaritmica e calcular uma aproximacao para a discordia quântica em estados Gaussianos, que e a discordia Gaussiana. Nos mostramos que mesmo a temperaturas muito altas as correlacoes quânticas, inclusive o emaranhamento, persistem. Esta persistencia tem uma relacao estreita com a estabilidade do sistema. Como as correlacoes quânticas sao a principal assinatura da mecânica quântica, isto sugere que este tipo particular de acoplamento entre os osciladores pode reduzir a descoerencia, introduzida pela interacao com o reservatorio termico Abstract
Realizamos nesse trabalho um tratamento abrangente da interação entre um sistema quântico e o meio ambiente modelado como um conjunto de osciladores harmônicos. Partimos para isso de um tratamento prévio de redes de osciladores harmônicos quânticos dissipativos. Utilizando a função característica, transformamos a equação de von Neumann em uma equação diferencial, e explorando a sua linearidade, essa é transformada em uma equação vetorial, cuja resolução é computacionalmente eficiente. Nosso formalismo, que parte de uma rede de osciladores harmônicos, não necessariamente dividida entre sistema e meio ambiente, permite que se contorne a necessidade da hipótese de acoplamento súbito sistema-reservatório para o tratamento exato da evolução do sistema. Em seguida, mostramos que essa evolução pode ser sempre descrita por uma equação mestra na forma usual de Lindblad, embora os coeficientes que a definem possam ser dependentes do tempo. Isso abre novas possibilidades para a dinâmica do sistema, e leva a efeitos que podem ser classificados de não-Markovianos, embora sejam descritos por uma equação mestra completamente local no tempo. Ressaltamos que, por ser baseado em uma solução exata, o método pode ser aplicado para qualquer intensidade de acoplamento, e é consideravelmente mais simples do que outros métodos disponíveis para esse fim, como os baseados em integrais de trajetória. Por fim, utilizamos simulações computacionais para explorar a validade das aproximações de ondas girantes e de Born-Markov, e os fenômenos que podem ser observados nos regimes em que elas deixam de ser válidas.
Neste trabalho consideramos o aspecto dinâmico de sistemas quânticos abertos onde uma partícula fica sujeita a trocas de energia com o ambiente. O ambiente (banho) é composto de um número finito N de osciladores harmônicos (HOs), caracterizando um banho estruturado, para o qual um comportamento não-Markoviano é esperado. Determinamos a solução numérica da equação de Schrödinger estocástica para uma partícula acoplada ao banho. Estudamos duas situações distintas para o sistema de partícula: o potencial harmônico e o potencial de catraca. No limite N → ¥ o banho é assumido ter um espectro de densidade ôhmico, sub-ôhmico e super-ôhmico. No caso do potencial harmônico, para baixos valores de N observamos uma troca de energia entre sistema e banho indefinidamente no tempo, enquanto que para valores intermediários de N observa-se decaimento em dois regimes de tempo: exponencial para baixos valores de tempo e lei de potência para valores mais altos de tempo. No caso do potencial de catraca, observamos que a energia volta para o sistema até para valores intermediários de N. Pacotes de ondas são usadas para determinar a evolução da partícula nos potenciais do sistema.
Neste trabalho estudamos dois tipos de sistemas quânticos confinados em uma região do espaço limitada por uma barreira de potencial infinita: o oscilador harmônico unidimensional e o átomo de hidrogênio.Os dois sistemas são de grande importância no estudo de propriedades físicas, tais como o espectro vibracional de moléculas em sólidos e o espectro de energia para um modelo de átomo sob pressão.Para ambos os sistemas são obtidas soluções analíticas para as situações livre e confinada através da imposição de condições de contorno sobre a função de onda.O espectro de energia do sistema confinado é obtido a partir da implementação de programas computacionais que pesquisam as raízes de um polinômio.Os resultados obtidos mostram diferentes efeitos que ocorrem em sistemas confinados, permitindo fazer uma comparação com sistemas livres.Palavras-chave: confinamento
Realizamos nesse trabalho um tratamento abrangente da interação entre um sistema quântico e o meio ambiente modelado como um conjunto de osciladores harmônicos. Partimos para isso de um tratamento prévio de redes de osciladores harmônicos quânticos dissipativos. Utilizando a função característica, transformamos a equação de von Neumann em uma equação diferencial, e explorando a sua linearidade, essa é transformada em uma equação vetorial, cuja resolução é computacionalmente eficiente. Nosso formalismo, que parte de uma rede de osciladores harmônicos, não necessariamente dividida entre sistema e meio ambiente, permite que se contorne a necessidade da hipótese de acoplamento súbito sistema-reservatório para o tratamento exato da evolução do sistema. Em seguida, mostramos que essa evolução pode ser sempre descrita por uma equação mestra na forma usual de Lindblad, embora os coeficientes que a definem possam ser dependentes do tempo. Isso abre novas possibilidades para a dinâmica do sistema, e leva a efeitos que podem ser classificados de não-Markovianos, embora sejam descritos por uma equação mestra completamente local no tempo. Ressaltamos que, por ser baseado em uma solução exata, o método pode ser aplicado para qualquer intensidade de acoplamento, e é consideravelmente mais simples do que outros métodos disponíveis para esse fim, como os baseados em integrais de trajetória. Por fim, utilizamos simulações computacionais para explorar a validade das aproximações de ondas girantes e de Born-Markov, e os fenômenos que podem ser observados nos regimes em que elas deixam de ser válidas.
Na presente tese, estudamos o oscilador harmonico generalizado com massa e frequencia dependentes do tempo e submetido a uma forca de friccao linear na velocidade cujo coeficiente de friccao depende do tempo, do ponto de vista classico e quântico. Obtivemos as solucoes da equacao de movimento classica deste sistema para alguns casos particulares e derivamos uma equacao de movimento que descreve simultaneamente tres sistemas diferentes. Em seguida, com a ajuda dos operadores invariantes quadraticos e a luz do metodo de invariantes dinâmicos encontramos as solucoes exatas da equacao de Schrodinger para este sistema. Tambem derivamos as fases geometrica, dinâmica e de Berry para este sistema nao-estacionario e as avaliamos para tres casos especiais. Ainda construimos estados coerentes para este sistema quantizado e os empregamos para investigar algumas propriedades quânticas tais como utuacoes quânticas da coordenada e momento bem como do produto das incertezas. Em seguida, utilizamos um operador invariante linear e usamos o metodo de invariantes dinâmicos para encontrar solucoes exatas da equacao de Schrodinger para um oscilador harmonico amortecido e forcado dependente do tempo. Com as solucoes desta equacao, construimos solucoes na forma de pacotes de onda Gaussianos assim como calculamos as utuacoes quânticas das coordenadas e momentos, bem como as correlacoes entre ambos. Finalmente, mostramos que a largura das utuacoes e correlacoes do pacote Gaussiano nao dependem da forca externa.