論文の概要: Quantum Energy Storage versus Heat-to-Work Conversion in an Interacting Spin System

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.19533v1
• Date: Thu, 20 Aug 2026 01:09:14 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-08-21 20:28:51.429803
• Title: Quantum Energy Storage versus Heat-to-Work Conversion in an Interacting Spin System
• Title（参考訳）: 相互作用スピン系における量子エネルギー貯蔵と熱-作業変換
• Abstract要約: 本研究では、量子電池と量子熱機関の両方として機能する相互作用する2量子ビット系のエネルギー・熱力学的特性について検討する。 まず、コヒーレントなユニタリ充電プロトコルを分析し、その結果のエネルギー貯蔵性能を特徴付ける。 次に、同じ加工媒体を量子オットーサイクルで使用し、磁場変調、双極子相互作用、温度バイアスの関数として吸収・放出熱、ネットワーク、熱力学的効率について研究する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We investigate the energetic and thermodynamic performance of an interacting two-qubit system serving as both a quantum battery and a quantum Otto heat engine. The working medium is described by an anisotropic Heisenberg Hamiltonian supplemented by a dipolar interaction, a symmetric spin--orbit interaction, and an external magnetic field. Within a unified microscopic framework, we first analyze a coherent unitary charging protocol and characterize the resulting energy-storage performance through the ergotropy, anti-ergotropy, charging power, storage capacity, and $\ell_1$-norm of quantum coherence. We investigate the effects of the dipolar interaction, temperature, and magnetic field on these quantities. We then employ the same working medium in a quantum Otto cycle and study the absorbed and released heat, net work, and thermodynamic efficiency as functions of the magnetic-field modulation, dipolar interaction, and temperature bias. A direct comparison between the two protocols reveals a pronounced contrast in their response to the dipolar interaction. In the investigated parameter regime, increasing the dipolar interaction substantially enhances the maximum ergotropy and storage capacity of the quantum battery, whereas the maximum work extracted per Otto cycle decreases. The Otto efficiency exhibits a nonmonotonic dependence on the dipolar interaction while remaining below the Carnot bound. These results demonstrate that an enhancement of quantum energy-storage capability does not necessarily imply an enhancement of heat-to-work conversion. Our findings highlight the complementary nature of quantum batteries and quantum heat engines and show how microscopic spin interactions can be used to control different forms of quantum energy conversion within the same physical platform.
• Abstract（参考訳）: 量子バッテリと量子オットー熱エンジンの両方として機能する相互作用する2量子ビット系のエネルギー・熱力学的特性について検討した。 作用媒体は、双極子相互作用、対称スピン軌道相互作用、外部磁場によって補足された異方性ハイゼンベルク・ハミルトンによって記述される。 統一された顕微鏡フレームワーク内では、まずコヒーレントなユニタリ充電プロトコルを分析し、エルゴトロピー、反エルゴトロピー、チャージパワー、ストレージ容量、および量子コヒーレンスの$\ell_1$-normを特徴付ける。 これらの量に対する双極子相互作用,温度,磁場の影響について検討した。 次に、同じ加工媒体を量子オットーサイクルで使用し、磁場変調、双極子相互作用、温度バイアスの関数として吸収・放出熱、ネットワーク、熱力学的効率について研究する。 2つのプロトコルの直接比較は、双極子相互作用に対する反応において顕著なコントラストを示す。 その結果, 双極子相互作用の増大は量子電池の最大エルゴトロピーと貯蔵能力を大幅に向上させるが, オットーサイクル当たりの最大作業量は減少することがわかった。 オットー効率は、カルノー境界の下にある間、双極子相互作用に非単調な依存を示す。 これらの結果は、量子エネルギー貯蔵能力の増強は、必ずしも熱から仕事への変換の強化を意味するものではないことを証明している。 我々の研究は、量子電池と量子熱エンジンの相補的な性質を強調し、同じ物理プラットフォーム内の異なる形態の量子エネルギー変換を制御するために、微視的なスピン相互作用がどのように使用できるかを示す。

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