Work statistics in open quantum systems

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorAla-Nissilä, Tapio, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.authorSuomela, Samu
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.labMultiscale Statistical Physics groupen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorAla-Nissilä, Tapio, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2017-01-26T10:00:48Z
dc.date.available2017-01-26T10:00:48Z
dc.date.defence2017-02-13
dc.date.issued2017
dc.description.abstractRapid progress in the fabrication and manipulation of micro and nanoscale devices has made it necessary to extend the concepts of thermodynamics to small systems and finally to quantum systems. In such systems the extensive thermodynamic quantities, such as entropy, heat, and work, are not described by their average values alone but by distributions. Remarkably, it has been shown that the stochastic thermodynamic variables often obey fluctuation relations which usually appear in the form of relations between exponential averages. While the two-measurement protocol of thermodynamic variables, especially work, is now well studied in closed quantum systems, there have been conceptual and experimental problems in open quantum systems. In this thesis, we theoretically study work statistics and fluctuation relations in open quantum systems. To calculate the work statistics, we use the quantum jump method and direct master equation calculations. We show that work definitions equivalent in closed systems can lead to mutually different results in the case of open quantum systems due to a different order of approximations. Moreover, we show that the fluctuation relations can be extended to nearly adiabatically driven systems by using the adiabatic renormalization procedure. Last, we focus on how a finite size of the environment affects the dynamics and work statistics of open quantum systems. This is important from the experimental point of view because a finite-size environment allows the detection of heat exchange between the system and the environment. We derive a master equation that takes into account these effects and develop a stochastic model that unravels the master equation. We explicitly show that the finite size of the environment influences the dynamics and the work statistics. We also show that the common fluctuation relations are still valid.it
dc.description.abstractNopea kehitys pienten komponenttien valmistamisessa on tehnyt tarpeelliseksi laajentaa termodynamiikan konseptit pieniin systeemeihin ja lopulta kvanttimekaanisiin systeemeihin. Näiden systeemien pienen koon takia termodynaamisia suureita, kuten työtä ja lämpöä, ei voida kuvata pelkällä keskiarvolla, vaan koko jakauma täytyy ottaa huomioon. Tässä väitöskirjassa tutkitaan työn statistiikkaa avoimissa kvanttisysteemeissä. Väitöskirjassa näytetään, että työn määritelmät, jotka ovat yhtenevät suljetuille systeemeille, voivat johtaa eri tuloksiin avoimissa kvanttisysteemeissä. Työssä laajennetaan myös työn fluktuaatiorelaatiot lähes adiabaattisesti ajasta riippuviin systeemeihin. Väitöskirjassa kehitetään myös malli, joka ottaa huomioon ympäristön äärellisen koon. Tämä malli mahdollistaa työn mittaamiseen ehdotettujen kokeiden mallintamisen, joissa ympäristön koon täytyy olla pieni lämmönvaihdon mittaamiseksi. Mallille kehitetään myös stokastinen vastine, joka mahdollistaa stokastisen termodynaamikan käytön työn ja lämmön analysoimiseen. Väitöskirjassa kehitetyt menetelmät mahdollistavat termodynamiikan tutkimisen systeemeissä, joita ei tavanomaisilla menetelmillä pystytä tutkimaan.fi
dc.format.extent66 + app. 50
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-7263-0 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-7264-7 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/24404
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-7263-0
dc.language.isoenen
dc.opnLutz, Eric, Prof., University of Erlangen-Nürnberg, Germany
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: S. Suomela, P. Solinas, J. P. Pekola, J. Ankerhold, T. Ala-Nissilä. Moments of work in the two-point measurement protocol for a driven open quantum system. Physical Review B, Volume 90, Issue 9, 094304 (8 pages), September 2014. DOI: 10.1103/PhysRevB.90.094304
dc.relation.haspart[Publication 2]: S. Suomela, J. Salmilehto, I. G. Savenko, T. Ala-Nissilä, and M. Möttönen. Fluctuations of work in a nearly adiabatically driven open quantum system. Physical Review E, Volume 91, Issue 2, 022126 (13 pages), January 2015. DOI: 10.1103/PhysRevE.91.022126
dc.relation.haspart[Publication 3]: S. Suomela, A. Kutvonen and T. Ala-Nissilä. Quantum jump model for a system with a finite-size environment. Physical Review E, Volume 93, Issue 6, 062106 (7 pages), June 2016. DOI: 10.1103/PhysRevE.93.062106
dc.relation.haspart[Publication 4]: S. Suomela, R. Sampaio and T. Ala-Nissilä. Comparison between quantum jumps and master equation in the presence of a finite environment. Physical Review E, Volume 94, Issue 4, 032138 (9 pages), September 2016. DOI: 10.1103/PhysRevE.94.032138
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries15/2017
dc.revPiilo, Jyrki, Adjunct. Prof., University of Turku, Finland
dc.revCampisi, Michele, Dr., NEST, Scuola Normale Superiore & Istituto Nanoscienze-CNR, Italy
dc.subject.keywordopen quantum systemsen
dc.subject.keywordwork fluctuationsen
dc.subject.keywordstochastic thermodynamicsen
dc.subject.keywordquantum jump methoden
dc.subject.keywordfinite environmenten
dc.subject.keywordavoimet kvanttisysteemitfi
dc.subject.keywordtermodynamiikkafi
dc.subject.keywordstokastinen termodynamiikkafi
dc.subject.keywordtyöfluktuaatiotfi
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titleWork statistics in open quantum systemsen
dc.titleTyön statistiikka avoimissa kvanttimekaanisissa systeemeissäfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2017_01_26_klo_08_16
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526072630.pdf
Size:
813.87 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description: