論文の概要: Mpemba effect and super-accelerated thermalization in the damped quantum harmonic oscillator
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.09589v1
- Date: Thu, 14 Nov 2024 17:00:20 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2024-11-15 15:24:13.500336
- Title: Mpemba effect and super-accelerated thermalization in the damped quantum harmonic oscillator
- Title（参考訳）: 減衰量子調和振動子におけるMpemba効果と超加速熱化
- Authors: Stefano Longhi,
- Abstract要約: ムペンバ効果は、非平衡状態が平衡からさらに離れるとより速く緩和できることを意味する。
オープン量子系の単純かつパラダイム的なモデルにおいて,Mpemba効果の量子顕在化を示す。
特に、他の初期熱状態よりも早く平衡に緩和する広い種類の遠方平衡分布を見つけることができる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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- Abstract: The behavior of systems far from equilibrium is often complex and unpredictable, challenging and sometimes overturning the physical intuition derived from equilibrium scenarios. One striking example of this is the Mpemba effect, which implies that non-equilibrium states can sometimes relax more rapidly when they are further from equilibrium. Despite a rich historical background, the precise conditions and mechanisms behind this phenomenon remain unclear. Recently, there has been growing interest in investigating Mpemba-like effects within quantum systems. In this work, we explore a quantum manifestation of the Mpemba effect in a simple and paradigmatic model of open quantum systems: the damped quantum harmonic oscillator, which describes the thermalization process of a bosonic mode in contact with a thermal bath at finite temperature $T$. By means of an exact analytical analysis of the relaxation dynamics, we demonstrate that any initial distribution of populations with a mean excitation number exactly equal to the mean number of quanta in the thermal equilibrium state displays an accelerated relaxation to equilibrium, leading to a pronounced Mpemba effect. In particular, one can find a broad class of far-from-equilibrium distributions that relax to equilibrium faster than any other initial thermal state with a temperature $T'$ arbitrarily close to $T$. Thermalization becomes even faster when the initial out-of-equilibrium population distribution matches the first $r$ moments of the equilibrium distribution. In this scenario, the relaxation rate increases linearly with $r$, resulting in a super-accelerated thermalization process.
- Abstract（参考訳）: 平衡から遠い系の振る舞いは、しばしば複雑で予測不可能であり、困難であり、時には平衡シナリオに由来する物理的直観を覆す。
この顕著な例はMpemba効果であり、これは非平衡状態がより平衡から離れたときにより速く緩和できることを意味する。
歴史が豊富なにもかかわらず、この現象の背景にある正確な条件とメカニズムはいまだ不明である。
近年,量子系におけるMpemba様効果の研究への関心が高まっている。
本研究では,Mpemba効果の量子表現を,有限温度で熱浴と接触するボゾンモードの熱化過程を記述するダンプ量子調和発振器(ダンプ量子調和発振器)という,オープン量子系の単純でパラダイム的なモデルで探索する。
緩和力学の正確な解析により、熱平衡状態における平均励起数を持つ集団の初期分布が平均量子数と正確に等しい場合、平衡への加速緩和が示され、Mpemba効果が顕著になることを示した。
特に、温度$T'$が任意に$T$に近い任意の初期熱状態よりも早く平衡に緩和する広範囲な非平衡分布を見つけることができる。
初期の非平衡分布が平衡分布の最初の$r$モーメントと一致すると、熱化はさらに速くなる。
このシナリオでは、緩和速度は$r$と直線的に増加し、結果として超加速熱化過程が生じる。
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