論文の概要: Entropy Production from Spin--Vibrational Coupling in Endohedral-Fullerene Qubits Encapsulated in Suspended Carbon Nanotubes

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.15521v1
• Date: Fri, 15 May 2026 01:36:54 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-18 21:22:26.142688
• Title: Entropy Production from Spin--Vibrational Coupling in Endohedral-Fullerene Qubits Encapsulated in Suspended Carbon Nanotubes
• Title（参考訳）: カーボンナノチューブに封入した内面-フラーレンクビットにおけるスピン振動結合によるエントロピー生成
• Authors: Cristian Staii,
• Abstract要約: ハイブリッドカーボンナノチューブ-フルレレンアーキテクチャは、構造化量子環境における可逆性と情報フローを研究するための制御可能なプラットフォームを提供する。 常磁性内面フラーレンが懸濁カーボンナノチューブ(CNT)共振器内にカプセル化されるシステムにおけるエントロピー生成を解析した。 エントロピーバランスを導出し,エントロピーフラックスと非負エントロピー生成を同定し,スピン振動ハイブリッド化がコヒーレント交換と散逸チャネルの不可逆性をいかに再分配するかを検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Hybrid carbon nanotube-fullerene architectures provide a controllable platform for studying irreversibility and information flow in structured quantum environments. We analyze entropy generation in a system where paramagnetic endohedral fullerenes, such as N@C$_{60}$ and P@C$_{60}$, are encapsulated inside a suspended carbon nanotube (CNT) resonator, with selected multi-level fullerene spin states forming an effective qubit coupled to quantized CNT flexural modes. Building on prior work on fullerene-filled CNTs, spin-phonon control in suspended nanotubes, and phase-space propagators for damped driven oscillators, we develop a hybrid open-system model combining driven quantum Brownian motion of the CNT with an effective Jaynes-Cummings spin-vibrational interaction. The resonator dynamics are represented by a Wigner function whose evolution is written analytically in terms of the initial Wigner distribution and a Gaussian propagator. This phase-space description separates drive-induced displacement, diffusion, and damping, and connects these processes directly to entropy flow. The coupled spin-mechanical dynamics are embedded in a Lindblad master equation including mechanical damping, spin relaxation, pure dephasing, and thermally activated excitation. Within this framework we derive the entropy balance, identify entropy flux and non-negative entropy production, and examine how spin-vibrational hybridization redistributes irreversibility between coherent exchange and dissipative channels. We show that magnetic-gradient-enhanced spin-phonon coupling, resonant driving, and moderate thermal occupation produce crossovers between oscillator-dominated and spin-dominated entropy-production regimes. The framework provides a basis for using CNT-PEF hybrids as nanoscale platforms to study nonequilibrium quantum thermodynamics, decoherence, and information loss in vibrational environments.
• Abstract（参考訳）: ハイブリッドカーボンナノチューブ-フルレレンアーキテクチャは、構造化量子環境における可逆性と情報フローを研究するための制御可能なプラットフォームを提供する。 我々は,N@C$_{60}$やP@C$_{60}$などの常磁性内面フラーレンが,浮遊カーボンナノチューブ(CNT)共振器内にカプセル化され,選択された多層フラーレンスピン状態が有効量子化CNT曲げモードに結合した量子化量子ビットを形成するシステムにおけるエントロピー生成を分析する。 本研究では、フラーレン充填CNT、懸濁ナノチューブにおけるスピンフォノン制御、減衰駆動発振器のための位相空間プロパゲータに関する先行研究に基づいて、CNTの駆動量子ブラウン運動と有効なJaynes-Cummingsスピン-振動相互作用を組み合わせたハイブリッドオープンシステムモデルを構築した。 共振器力学は、初期ウィグナー分布とガウスプロパゲータを解析的に記述したウィグナー関数で表される。 この位相空間の記述は、駆動誘起の変位、拡散、減衰を分離し、これらの過程をエントロピーフローに直接接続する。 結合したスピン-メカニカルダイナミクスは、機械的減衰、スピン緩和、純粋な脱落、熱活性化励起を含むリンドブラッドマスター方程式に埋め込まれる。 この枠組み内でエントロピーバランスを導出し、エントロピーフラックスと非負エントロピー生成を同定し、スピン-振動ハイブリッド化がコヒーレント交換と散逸チャネルの不可逆性を再分配する方法を検討する。 本研究では, スピンフォノン結合, 共鳴駆動, 中間熱占有が振動子支配型とスピン支配型エントロピー生成型の間で交差することを示す。 このフレームワークは、CNT-PEFハイブリッドをナノスケールプラットフォームとして使用し、非平衡量子熱力学、デコヒーレンス、振動環境における情報損失を研究する基盤を提供する。

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