Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra / Tese (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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:BDTD:103835 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Batalhão, Tiago Barbin |
| Contributors | Serra, Roberto Menezes, Silva, Fernando Luis Semião da, Salinas, Sílvio Roberto Azevedo, Ribeiro, Paulo Henrique Souto, Matsas, George Emanuel Avraam |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf, 312 f. : il. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFABC, instname:Universidade Federal do ABC, instacron:UFABC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=103835&midiaext=73293, http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=103835&midiaext=73292, Cover: http://biblioteca.ufabc.edu.brphp/capa.php?obra=103835 |
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