Thermodynamics and performance of cyclic quantum many-body heat engines

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorBrandner, Kay
dc.contributor.authorPyhäranta, Tuomas
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorFlindt, Christian
dc.date.accessioned2022-10-23T17:09:27Z
dc.date.available2022-10-23T17:09:27Z
dc.date.issued2022-10-18
dc.description.abstractIn this thesis, we investigate the thermodynamics of quantum mechanical heat engines with non-interacting bosonic working fluids in harmonic potentials. Our main objectives are to investigate the performance effects of symmetric exchange interactions and non-adiabatic driving as well as to explore different methods for modelling the finite-time thermodynamics of periodically driven many-particle systems with Lindblad dynamics. Starting from the study of ideal Otto cycles, whose unique features allow for the effects of Bose-Einstein condensation to be investigated with basic equilibrium thermostatistics, we predict a phase-transition induced power enhancement. Using this result as a benchmark, we develop a spectral technique for studying the linear-response thermodynamics of particle-conserving systems using a simple grand canonical framework, thus avoiding the technical difficulties typical to the canonical treatment of many-body systems. In the end, our results indicate that coherence cannot be harnessed to boost the power of Otto engines beyond quasi-classical performance. To complement the effectively canonical linear response theory, we also introduce a mean-field type formalism for studying population dynamics of many-body systems without having to solve the many-body Lindblad equation. This formalism can also be used to explore the thermodynamic behavior of quantum many-body heat engines.en
dc.description.abstractTässä diplomityössä tarkastellaan kvanttimekaanisten lämpövoimakoneiden, joiden väliaine koostuu keskenään vuorovaikuttamattomista bosoneista, termodynamiikkaa. Työn päätavoitteina on tutkia symmetristen vaihtovuorovaikutusten ja epäadiabaattisen ajon vaikutusta lämpövoimakoneiden suorituskykyyn sekä erilaisia menetelmiä jaksollisesti ajettujen Lindblad-yhtälöä noudattavien avointen monikappalesysteemien termodynamiikan mallintamiseen. Käyttämällä lähtökohtanamme Otto-työkiertoja, joiden ainutlaatuiset piirteet mahdollistavat Bosen-Einsteinin kondensaation vaikutuksen tutkimisen tavallisen termostatistiikan avulla, me ennustamme faasimuutoksen parantavan lämpövoimakoneen suorituskykyä. Tämä tulos toimii vertailukohtana kehittämällemme spektraalimenetelmälle, jonka avulla kanonisten systeemien termodynaamista vastetta voidaan tutkia suurkanonisessa yhteydessä. Menetelmän ansiosta tyypilliset monikappalesysteemien kanonisen käsittelyn kanssa vastaantulevat tekniset vaikeudet voidaan välttää. Tuloksemme osoittavat, että koherenssia ei voida hyödyntää Otto-lämpövoimakoneiden suorituskyvyn tehostamiseen klassisia rajoja pidemmälle. Kanonisen lineaarivasteteoriamme tueksi kehitämme myös keskeiskenttämenetelmän, joka mahdollistaa monikappalesysteemien tilapopulaatioiden aikakehityksen mallintamisen tiheysmatriisin Lindblad-yhtälöä ratkaisematta. Keskeiskenttäformalismiamme voidaan myös hyödyntää kvanttilämpövoimakoneiden termodynaamisen käyttäytymisen tutkimisessa.fi
dc.format.extent57
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/117399
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-202210236185
dc.language.isoenen
dc.programmeMaster’s Programme in Engineering Physicsfi
dc.programme.majorEngineering Physicsfi
dc.programme.mcodeSCI3056fi
dc.subject.keywordquantum thermodynamicsen
dc.subject.keywordquantum heat enginesen
dc.subject.keywordBose-Einstein condensationen
dc.subject.keywordmany-body physicsen
dc.subject.keywordlinear responseen
dc.subject.keywordmean-field theoryen
dc.titleThermodynamics and performance of cyclic quantum many-body heat enginesen
dc.titleSyklisten monikappalekvanttilämpövoimakoneiden termodynamiikka ja suorituskykyfi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
local.aalto.electroniconlyyes
local.aalto.openaccessyes

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
master_Pyhäranta_Tuomas_2022.pdf
Size:
946.79 KB
Format:
Adobe Portable Document Format