論文の概要: Ergotropy and capacity optimization in Heisenberg spin-chain quantum batteries
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2408.00133v2
- Date: Fri, 1 Nov 2024 16:34:15 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-11-08 13:40:31.750221
- Title: Ergotropy and capacity optimization in Heisenberg spin-chain quantum batteries
- Title（参考訳）: ハイゼンベルクスピンチェーン量子電池のエルゴトロピーとキャパシティ最適化
- Authors: Asad Ali, Saif Al-Kuwari, M. I. Hussain, Tim Byrnes, M. T. Rahim, James Q. Quach, Mehrdad Ghominejad, Saeed Haddadi,
- Abstract要約: 本研究は, ハイゼンベルクスピンモデルを用いた有限スピン量子電池 (QB) の性能を, ジアルシンスキー-モリヤ (DM) とカプラン-シェフトマン-エンチン-ヴルマン-アハロニー (KSEA) 相互作用を用いて検討した。
QBは局所的不均一磁場における相互作用量子スピンとしてモデル化され、可変ゼーマン分裂を誘導する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.5420492913071214
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: This study examines the performance of finite spin quantum batteries (QBs) using Heisenberg spin models with Dzyaloshinsky-Moriya (DM) and Kaplan--Shekhtman--Entin-Wohlman--Aharony (KSEA) interactions. The QBs are modeled as interacting quantum spins in local inhomogeneous magnetic fields, inducing variable Zeeman splitting. We derive analytical expressions for the maximal extractable work, ergotropy and the capacity of QBs, as recently examined by Yang et al. [Phys. Rev. Lett. 131, 030402 (2023)]. These quantities are analytically linked through certain quantum correlations, as posited in the aforementioned study. Different Heisenberg spin chain models exhibit distinct behaviors under varying conditions, emphasizing the importance of model selection for optimizing QB performance. In antiferromagnetic (AFM) systems, maximum ergotropy occurs with a Zeeman splitting field applied to either spin, while ferromagnetic (FM) systems benefit from a uniform Zeeman field. Temperature significantly impacts QB performance, with ergotropy in the AFM case being generally more robust against temperature increases compared to the FM case. Incorporating DM and KSEA couplings can significantly enhance the capacity and ergotropy extraction of QBs. However, there exists a threshold beyond which additional increases in these interactions cause a sharp decline in capacity and ergotropy. This behavior is influenced by temperature and quantum coherence, which signal the occurrence of a sudden phase transition. The resource theory of quantum coherence proposed by Baumgratz et al. [Phys. Rev. Lett. 113, 140401 (2014)] plays a crucial role in enhancing ergotropy and capacity. However, ergotropy is limited by both the system's capacity and the amount of coherence. These findings support the theoretical framework of spin-based QBs and may benefit future research on quantum energy storage devices.
- Abstract（参考訳）: 本研究は, ハイゼンベルクスピンモデルを用いた有限スピン量子電池 (QB) の性能を, ジアルシンスキー-モリヤ (DM) とカプラン-シェフトマン-エンチン-ヴルマン-アハロニー (KSEA) 相互作用を用いて検討した。
QBは局所的不均一磁場における相互作用量子スピンとしてモデル化され、可変ゼーマン分裂を誘導する。
最近 Yang et al [Phys. Rev. Lett. 131, 030402 (2023)] が検討したように, 最大抽出可能作業, エルゴトロピー, QBs の容量に関する解析式を導出する。
これらの量は、前述の研究で示されたように、特定の量子相関を通じて分析的にリンクされる。
異なるハイゼンベルクスピンチェーンモデルは異なる条件下での異なる挙動を示し、QB性能を最適化するためのモデル選択の重要性を強調している。
反強磁性(AFM)系では、最大エルゴトロピーはいずれのスピンにも作用するゼーマン分裂場と共に起こるが、強磁性(FM)系は均一なゼーマン場から恩恵を受ける。
AFM症例のエルゴトロピーは, FM症例と比較して温度上昇に対して概ね強いが, 温度はQB性能に大きく影響した。
DMとKSEAの結合はQBのキャパシティとエルゴトロピーの抽出を著しく向上させる。
しかし、これらの相互作用のさらなる増加がキャパシティとエルゴトロピーの急激な減少を引き起こすしきい値が存在する。
この挙動は温度と量子コヒーレンスの影響を受けており、これは突然の相転移の発生を示唆している。
Baumgratzらによって提唱された量子コヒーレンスの資源理論(Phys. Lett. 113, 140401 (2014))は、エルゴトロピーとキャパシティを高める上で重要な役割を果たす。
しかしながら、エルゴトロピーはシステムの能力とコヒーレンス量の両方によって制限される。
これらの知見はスピンベースのQBの理論的枠組みを支持しており、将来の量子エネルギー貯蔵装置の研究に役立つかもしれない。
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