Optomechanical quantum battery with non-linear radiation pressure coupling

Thumbnail Image

Files

master_Saariniemi_Eero_2025.pdf (939.51 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-10-29

Department

Major/Subject

Materials Physics and Quantum Technology

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Engineering Physics
Master's Programme in Engineering Physics
Master's Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

56

Series

Abstract

An optomechanical quantum battery is studied numerically within a theoretical framework of charger-mediated energy transfer. The key figure-of-merit is evaluated using ergotropy, a measure of extractable work. The general framework of charger-mediated energy transfer is analysed comprehensively, with detailed exploration in the context of the proposed model. A quantum master equation, constructed via the Lindblad formalism, is employed to describe the dynamics of the non-linear optomechanical system. In the battery model, the optical mode serves as a charger and the mechanical mode as a battery. Four different charging modes are introduced and modelled numerically. Performance of each charging mode is assessed with an ergotropy figure that accounts for the energy cost of decoupling the battery and the charger. In a coherently driven system, significant ergotropy values are reported, and negligible energy is required to decouple the charger and the battery. Finite ergotropy, although lower than the energy required to decouple the charger and the battery, is reported when the optical mode is coupled to a finite-temperature thermal bath.

Optomekaanista kvanttiakkua tutkitaan numeerisesti laturivälitteisen energiansiirron viitekehyksessä. Keskeinen suorituskykyä kuvaava suure perustuu hyödyllistä työtä mittaavaan ergotropiaan. Yleistä laturivälitteisen energiansiirron teoreettista viitekehystä tarkastellaan ja arvioidaan yksityiskohtaisesti esitellyn mallin kontekstissa. Epälineaarisen optomekaanisen systeemin dynamiikkaa kuvataan Lindblad-formalismissa konstruoidulla kvanttimasteryhtälöllä. Mallinnettavassa optomekaanisessa akussa optinen moodi toimii laturina ja mekaaninen moodi akkuna. Neljä erilaista latausmekanismia esitellään ja mallinnetaan numeerisesti. Kunkin latausmekanismin suorituskykyä arvioidaan suureella, joka huomioi akun ja laturin kytkemiseen kuluvan energian. Kytkettäessä optinen moodi muuttuvaan sähkökenttään saavutetaan huomattava ergotropia, johon verrattuna akun ja laturin kytkemiseen kuluva energia on merkityksetön. Nollasta eroava, mutta akun ja laturin kytkemisenergiaa matalampi ergotropia saavutetaan kytkemällä optinen moodi lämpötilaltaan nollasta poikkeavaan lämpövarantoon.

Description

Supervisor

Ala-Nissilä, Tapio

Thesis advisor

Kumar, Jishad

Keywords

quantum battery, optomechanical system, open quantum system, ergotropy, quantum technology, quantum mechanics

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512169335

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI