論文の概要: Quantum heat transport and effects of quantum thermal devices in noncommuting coupled spins

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.29430v1
• Date: Thu, 24 Sep 2026 11:49:50 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-09-25 21:10:09.899331
• Title: Quantum heat transport and effects of quantum thermal devices in noncommuting coupled spins
• Title（参考訳）: 非可換結合スピンにおける量子熱輸送と量子熱デバイスの効果
• Abstract要約: 量子熱輸送は非平衡量子系のエネルギー交換過程と統計法則を管理する。 非可換結合スピン系の定常熱輸送について検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 11.144641684275486
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum heat transport governs energy exchange processes and statistical laws in non-equilibrium quantum systems, and plays a pivotal role in quantum thermodynamics. We investigate the steady-state thermal transport of a noncommuting coupled spin system. We employ the quantum dressed master equation approach within the framework of open quantum system theory to accurately analyze the non-equilibrium dynamics, ensuring the validity of transport results in the strong coupling regime. Our results demonstrate that noncommuting spin coupling serves as a significant resource for modulating the nonlinearity of the heat current. Specifically, in the weak spin-coupling regime, the system exhibits robust negative differential thermal conductance (NDTC) across various spin numbers. By deriving analytical expressions for the heat current in both the single-spin and large-spin limits, we reveal that this NDTC behavior is governed by microscopic cycle fluxes. Physically, this arises because spin excitation channels induced by the cold reservoir are suppressed under a large temperature bias, thereby blocking energy exchange cycles. Conversely, in the strong spin-coupling and large temperature bias regime, the quantum system demonstrates pronounced thermal rectification. This high rectification efficiency originates from the unidirectional saturation of the heat current, rendering the system a promising candidate for high-performance thermal diodes. Furthermore, we extend the model to a three-terminal configuration to construct a quantum thermal transistor. By manipulating the temperature of the gate reservoir, we achieve efficient modulation and amplification of heat flow between the source and drain. The heat amplification factor is shown to far exceed unity in specific operating regions, confirming significant thermal amplification.
• Abstract（参考訳）: 量子熱輸送は非平衡量子系のエネルギー交換過程と統計法則を管理し、量子熱力学において重要な役割を果たす。 非可換結合スピン系の定常熱輸送について検討する。 我々は、非平衡力学を正確に解析し、強い結合状態における輸送結果の妥当性を保証するために、オープン量子システム理論の枠組みの中で量子装束マスター方程式のアプローチを用いる。 以上の結果から,非可換スピンカップリングは熱電流の非線形性を調節するための重要な資源であることが示された。 具体的には、弱いスピンカップリング系では、様々なスピン数に対して強い負差熱伝導(NDTC)を示す。 単一スピン限界と大スピン限界の両方における熱電流の解析式を導出することにより, このNDTC挙動が微視的サイクルフラックスによって制御されていることを明らかにした。 物理的には、冷たい貯留層によって誘導されるスピン励起チャネルが大きな温度バイアスの下で抑制され、エネルギー交換サイクルが阻害されるためである。 逆に、強いスピンカップリングと大きな温度バイアス状態では、量子系は顕著な温度補正を示す。 この高い整流効率は、熱電流の一方向飽和に起因するため、システムは高性能熱ダイオードの候補となる。 さらに、このモデルを3端子構成に拡張し、量子熱トランジスタを構築する。 ゲート貯水池の温度を操作することにより, ソースとドレイン間の熱流の効率的な変調と増幅を実現する。 熱増幅係数は特定の操作領域の単位を超え, 顕著な熱増幅が確認された。

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