| Project/Area Number |
22K03467
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
内山 智香子 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (30221807)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橋本 一成 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (10754591)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | 量子熱機関 / 量子コヒーレンス / 非マルコフ効果 / 微小熱機関 / 量子可逆性 |
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| Outline of Research at the Start |
熱力学は19世紀の創設以来，マクロレベルの熱的性質の記述および制御において堅牢な学問体系を有する稀有な分野である．しかし，近年の量子技術の急速な発展に伴い，熱的性質に対する量子論的アプローチに注目が集まっている，なかでも，蒸気機関などの従来の熱機関の媒質を量子系で置換した量子熱機関に関する研究が加速し，理論・実験ともに数多く行われている．しかし熱機関に量子力学的視点を持ち込む際，「量子性」の果たす役割の明確化は未だ挑戦的な課題として残されている．本研究は，従来見過ごされがちであった熱機関過程の短時間領域での「量子可逆性」に着目した熱機関プロトコルの理論構築を行い，熱機関効率向上の可能性を探る．
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱力学は，マクロな物質の熱的な性質の記述・理解を可能とする学問分野である．その堅牢性は，蒸気機関や内燃機関などの熱機関の実現を可能としている．しかし，熱機関の作業媒質のスケールを縮小して量子系とした微小熱機関にも，従来の熱力学が成立するのか，また，熱機関の効率はどのように影響されるのか，という問いについては，熱力学の取り扱い範囲を超えているため，新たな取り組みが必要となっている．この方向性の取り組みに対しては，量子技術の発展を背景に，理論のみならず，実験的観点からの研究も盛んに行われている．しかし，このような世界的研究動向にあってもなお，微小熱機関における「量子性」の役割を明確化することは挑戦的な課題として位置づけられている．そこで，本研究では注目すべき「量子性」として，量子コヒーレンスと，熱浴の相関時間程度の短時間領域の振る舞い(非マルコフ効果)の量子可逆性をとりあげ，量子熱機関の熱効率への影響を明らかにする ことを目的としている.具体的には， 複数エネルギー準位系などの量子系を作業媒質とし，各過程を有限時間で操作するモデルを考え，量子可逆性が熱機関効率を向上させる条件を探索し，「量子性」を利用した有限時間操作可能な微小熱機関の理論構築を行うことを目指している.昨年度の研究結果をうけ，今年度は量子コヒーレンスについての考察をさらに深めることとした．具体的には，量子コヒーレンスが注目系の密度演算子の非対角要素に現れることに注目し，どのような条件で量子コヒーレンスが現れるのか，複数準位ーボソン熱浴系，および量子ドットー電子溜系について考察を行った．その結果について論文発表を行うとともに，日本物理学会・国際会議にて発表を行った.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は，熱機関における「量子性」の役割を明らかにすることを目的としている.この量子性として，本研究では特に，量子コヒーレンスと，熱浴の相関時間程度の 短時間領域の振る舞い(非マルコフ効果)の量子可逆性をとりあげ，量子熱機関の熱効率への影響を明らかにすることを目指している.この目標に向け，昨年度は，量子熱機関 の素過程を，作業媒質と熱浴との相互作用と，外部磁場による作業媒質のエネルギー準位制御との2種類に大別し，特に後者についての理論的枠組を整える研究を行った. これは，外部磁場による量子コヒーレンス制御に注目していたからであるが，その考察を進める過程で，より本質的な考察が可能であることに気づいた．それは，量子熱機関の作業媒質として取り上げている系を取り扱う際に用いる，量子統計力学的手法における量子コヒーレンスの特徴に注目することで，より広範な考察が可能となる，ということである．そこで今年度は，量子コヒーレンスが，量子系を取り扱う際に用いる密度演算子の非対角要素に現れることに注目し，熱浴との相互作用のもとで，量子コヒーレンスがどのような振る舞いをするのかについて調べることとした．その際に必要な一般的理論的枠組について，Physical Review A 掲載論文として報告した．複数準位ーボソン熱浴系，および量子ドットー電子溜系について考察を行った結果，定常的な量子コヒーレンスの存在が明らかとなった．これにより，当初の予定よりも広範な量子コヒーレンスの取り扱いが可能となったことから，おおむね順調に進展していると自己評価している.
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の進展により，量子コヒーレンスについての視座を拡張することが可能となった．今後は，量子コヒーレンスのさらなる視座の拡張可能性について考察を行いながら，これまでに構築した理論的枠組をもとに，熱機関への適用段階に進む. その際には，作業媒質を量子系とすることにより，「熱」と「仕事」の定義として，どのようなものが適切なのか，についての考察をする必要がある．これまでに発表されている先行研究を参考にしながら，複数の指標を用いて，熱機関効率の見積もりを行う予定である.
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