Avanços teóricos e experimentais em Termodinâmica Quântica

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Batalhão, Tiago Barbin
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFABC
Texto Completo: http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=103835
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra
id UFBC_17794e5cc21f92ea21f7219cd8d3d0f9
oai_identifier_str oai:BDTD:103835
network_acronym_str UFBC
network_name_str Repositório Institucional da UFABC
repository_id_str
spelling Avanços teóricos e experimentais em Termodinâmica QuânticaTERMODINÂMICA QUÂNTICAINFORMAÇÃO QUÂNTICAÓPTICA QUÂNTICAQUANTUM THERMODYNAMICSQUANTUM INFORMATIONQUANTUM OPTICSPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA - UFABCOrientador: Prof. Dr. Roberto Menezes SerraTese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2016.Termodinâmica Quântica é uma área emergente da Física que está associada a aplicação dos princípios termodinâmicos a sistemas que são geralmente pequenos, estão longe do equilíbrio térmico e nos quais efeitos quânticos são relevantes. Este novo campo de pesquisa deve contribuir substancialmente para o entendimento dos limites das novas tecnologias quânticas que envolvem processamento de informação, comunicação, metrologia, entre outras aplicações. No limite de pequenos sistemas longe do equilíbrio, flutuações de energia adquirem grande importância e quantidades termodinâmicas como trabalho, calor e produção de entropia tornam-se variáveis estocásticas regidas por teoremas de flutuação, sendo que o acesso às distribuições de probabilidade dessas flutuações é essencial para caracterizar completamente a termodinâmica de um processo fora do equilíbrio. Em um outro desenvolvimento, a possibilidade de aquisição e uso de informação sobre estados microscópicos foi incorporada na descrição teórica dos teoremas de flutuação, dando origem a contundentes conexões entre Termodinâmica e Teoria de Informação. Essas conexões possibilitam, entre outras coisas, obter uma expressão quantitativa em termos de variáveis microscópicas para o conceito filosófico da seta do tempo em um sistema quântico e entender, de um ponto de vista bastante fundamental, de onde emerge a assimetria entre passado e futuro, possibilitando também que se projete um sistema de feedback (retroalimentação) que pode operar como um demônio de Maxwell genuíno. Embora haja uma intensa atividade teórica na área, experimentos em Termodinâmica Quântica tem demorado a aparecer devido à dificuldade de acesso a flutuações de energia durante a evolução de sistemas quânticos fora do equilíbrio. Aplicações da técnica de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) que desenvolvemos nesta tese são capazes de contornar essa dificuldade. A partir dessas técnicas, reportamos a realização dos primeiros experimentos em Termodinâmica Quântica, incluindo a comprovação experimental dos teoremas de flutuação no regime quântico, a observação da emergência da seta do tempo (caracterizada pela produção de entropia) em um sistema quântico fechado não autônomo, a construção de uma máquina térmica quântica empregando spins nucleares e a implementação de um demônio de Maxwell em regime quântico. O estudo da Termodinâmica Quântica ainda está em sua infância e, por ser tão novo, ainda há divergências (em parte da comunidade) sobre alguns conceitos. Esperamos que essa tese contribua experimentalmente e teoricamente para avançar a noção de que as definições de grandezas termodinâmicas devem ser consistentes com os teoremas de flutuação, que continuam válidos no regime quântico e de poucas partículas. Em nossa opinião esses teoremas junto com as relações entre informação e energia formam o arcabouço teórico fundamental para o avanço da área.Quantum Thermodynamics is an emerging topic in Physics, associated with applying the principles of Thermodynamics to systems that are usually small, far from thermal equilibrium and for which quantum effects are relevant. This new research field should give substantial contributions to understanding the limits and limitations of new quantum technologies involving information processing, communication, metrology, among others. In the limit of small systems far from equilibrium, energy fluctuations become very important and thermodynamical quantities such as work, heat and entropy production are treated as stochastic variables obeying fluctuation theorems. The possibility to access the probability distribution of fluctuations is essential to fully characterise the thermodynamics of an out-of-equilibrium process. In a related approach, the possibility to acquire and use information has been included in the theoretical framework of fluctuation theorems, paving the way for powerful connections between Thermodynamics and Information Theory. Such connections enable us, among other things, to derive a quantitative expression in terms of microscopic variables for the philosophical concept known as the arrow of time in a quantum system, and to understand in a fundamental level the origin of the asymmetry between past and future. These ideas can be used to design a feedback mechanism able to act as a genuine Maxwell demon. Even though there is intense theoretical activity, experiments in Quantum Thermodynamics have been taking a long time to appear, due to the difficulty in measuring energy fluctuations during an out-of-equilibrium quantum system evolution. However, techniques from Nuclear Magnetic Resonance (NMR) developed for this thesis are able to circumvent that problem. Using them, we report the first experiments in Quantum Thermodynamics, including the verification of the fluctuation theorems, the observation of the emergence of the arrow of time (quantified by entropy production) in a closed non-autonomous quantum system, the implementation of a quantum thermal machine using nuclear spins and the realization of a Maxwell demon in the quantum domain. The field of Quantum Thermodynamics is still in its infancy, and there are divergences (in part of the community) about some of its concepts. We hope that this thesis can contribute experimentally and theoretically to advance the notion that the definitions of thermodynamical quantities must be consistent with the fluctuation theorems, which remain valid in the the quantum, low-particle-number regime. It is our opinion that these theorems, together with relations between information and energy, form the fundamental theoretical framework that will help advance the field.Serra, Roberto MenezesSilva, Fernando Luis Semião daSalinas, Sílvio Roberto AzevedoRibeiro, Paulo Henrique SoutoMatsas, George Emanuel AvraamBatalhão, Tiago Barbin2016info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf312 f. : il.http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=103835http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=103835&midiaext=73292http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=103835&midiaext=73293Cover: http://biblioteca.ufabc.edu.br/php/capa.php?obra=103835porreponame:Repositório Institucional da UFABCinstname:Universidade Federal do ABC (UFABC)instacron:UFABCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2017-04-25T11:31:55Zoai:BDTD:103835Repositório InstitucionalPUBhttp://www.biblioteca.ufabc.edu.br/oai/oai.phpopendoar:2017-04-25T11:31:55Repositório Institucional da UFABC - Universidade Federal do ABC (UFABC)false
dc.title.none.fl_str_mv Avanços teóricos e experimentais em Termodinâmica Quântica
title Avanços teóricos e experimentais em Termodinâmica Quântica
spellingShingle Avanços teóricos e experimentais em Termodinâmica Quântica
Batalhão, Tiago Barbin
TERMODINÂMICA QUÂNTICA
INFORMAÇÃO QUÂNTICA
ÓPTICA QUÂNTICA
QUANTUM THERMODYNAMICS
QUANTUM INFORMATION
QUANTUM OPTICS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA - UFABC
title_short Avanços teóricos e experimentais em Termodinâmica Quântica
title_full Avanços teóricos e experimentais em Termodinâmica Quântica
title_fullStr Avanços teóricos e experimentais em Termodinâmica Quântica
title_full_unstemmed Avanços teóricos e experimentais em Termodinâmica Quântica
title_sort Avanços teóricos e experimentais em Termodinâmica Quântica
author Batalhão, Tiago Barbin
author_facet Batalhão, Tiago Barbin
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Serra, Roberto Menezes
Silva, Fernando Luis Semião da
Salinas, Sílvio Roberto Azevedo
Ribeiro, Paulo Henrique Souto
Matsas, George Emanuel Avraam
dc.contributor.author.fl_str_mv Batalhão, Tiago Barbin
dc.subject.por.fl_str_mv TERMODINÂMICA QUÂNTICA
INFORMAÇÃO QUÂNTICA
ÓPTICA QUÂNTICA
QUANTUM THERMODYNAMICS
QUANTUM INFORMATION
QUANTUM OPTICS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA - UFABC
topic TERMODINÂMICA QUÂNTICA
INFORMAÇÃO QUÂNTICA
ÓPTICA QUÂNTICA
QUANTUM THERMODYNAMICS
QUANTUM INFORMATION
QUANTUM OPTICS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA - UFABC
description Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra
publishDate 2016
dc.date.none.fl_str_mv 2016
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=103835
url http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=103835
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.none.fl_str_mv http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=103835&midiaext=73292
http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=103835&midiaext=73293
Cover: http://biblioteca.ufabc.edu.br/php/capa.php?obra=103835
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
312 f. : il.
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFABC
instname:Universidade Federal do ABC (UFABC)
instacron:UFABC
instname_str Universidade Federal do ABC (UFABC)
instacron_str UFABC
institution UFABC
reponame_str Repositório Institucional da UFABC
collection Repositório Institucional da UFABC
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFABC - Universidade Federal do ABC (UFABC)
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1813263940451303424

Registros relacionados