2022 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum thermoelectric transport and nonequilibrium quantum thermodynamics at nanoscale
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19K03682
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
谷口 伸彦 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70227221)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子ドット / 量子熱力学 / 非平衡 / ナノ量子系 / 量子熱機関 / 量子輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、エネルギー変換素子として有望視されているナノ量子構造系に対し、微視的理論解析を通してナノ量子熱機関としての熱電性能向上の知見を獲得するとともに、ナノ系熱電現象をより高い見地から理解する「ナノ系非平衡量子熱力学」の理論展開を行うことである。本年度の研究実績は以下の通りである。
1. 高いコヒーレンスをもつ微小ナノリボン系は優れた量子制御性を持つ一方で、大きな格子熱輸送により熱効率を大幅に劣化させる問題を持つことが知られている。我々はこのような劣化要因を効果的に抑圧する接合の形状を把握し、局所的ゲート電圧印加による量子制御を組み合わせることで、高い熱電特性を実現可能であることを理論的に示した（米国物理学会発表済、論文投稿済）。
2. 量子熱機関の熱効率と出力パワーには、熱力学不確定性関係式に基づくトレードオフ関係が存在するが、近年、高い量子コヒーレンスをもつ非平衡ナノ系では、このような関係式を破る事象が報告されている。我々はナノ系量子熱機関において量子コヒーレンスが熱力学不確定性関係に及ぼす影響を微視的理論に基づき解析し、量子制御の優位性を明らかにした（日本物理学会発表済）。
3. 量子熱電機関を効率的に時間駆動させるためには、仕事散逸を最小化することが重要である。孤立量子系の駆動に関しては、駆動パラメータ空間の「熱力学的距離」と測地線概念に基づく駆動の最適化法が知られていたが、複数熱浴と強く結合するナノ系量子機関ではこのような「熱力学的距離」概念の存在は明らかではなかった。我々は、非平衡定常状態を特徴づけるMassieuポテンシャルを使うことで、孤立量子系での方法を非平衡定常状態へと拡張し、定常状態間の最適駆動はMassieuポテンシャルにより定まる駆動パラメータ空間の測地線により最適化されることを明らかにした（日本物理学会発表済）。
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| Remarks |
プレプリント: arXiv:2305.07242 (https://arxiv.org/abs/2305.07242)
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