Quantum field machines with cold atoms

Abstract

Diese Dissertation behandelt das Thema der Quanten-Thermodynamik. Sie widmet sich der Erforschung des neuen Konzepts der Quantenfeldmaschine (QFM), ein Apparat zur Verrichtung von Arbeit im Quantenregime. So ein Apparat benötigt für seine vollständige Beschreibung einerseits die Gesetze der Quantenmechanik, andererseits ist es aufgrund der schieren Anzahl unmöglich jeden seiner Freiheitsgrade zu berücksichtigen, eine Tatsache die statistische Methoden für die Modellierung des Verhaltens unabdinglich macht. Diese beiden Vorraussetzungen führen dazu, dass es sich dabei um eine wahrhaftige Quanten-Wärmekraftmaschine handelt, die am Schnittpunkt von Thermodynamik und Quantenmechanik arbeitet. Im Kontext dieser Arbeit besteht die QFM aus einer ultrakalten Atomwolke, die in drei Bestandteile gegliedert ist, wobei sie zum Ziel hat einen davon zu kühlen. Dafür stehen zwei grundlegende Operationen zur Verfügung, welchen jeweils eine Entsprechung aus der klassischen Thermodynamik gegenübersteht: Bei der ersten Operation handelt es sich um die Kompression oder Ausdehnung einer der Komponenten (gemäß eines Kolbens); die zweite Operation ist die Kopplung von jeweils zwei der drei Teile, um einen Wärmeaustausch zu erreichen (ähnlich eines Ventils). Zur Beschreibung der Funktionsweise werden in dieser Arbeit numerische Simulationen der grundlegenden Operationen, sowie mehrerer Arbeitszyklen gezeigt. Weiters stellen wir experimentelle Ergebnisse für einen konzeptionellen Beweis der einzelnen Arbeitsschritte der QFM vor. Für diesen Zweck verwenden wir eindimensionale Bose-Einstein-Kondensate, die mithilfe eines Atomchips erzeugt werden. Schlussendlich werfen wir einen detaillierten Blick auf die Dynamik zweier stark gekoppelter unkorrelierter Bestandteile der QFM bei Anregung des Systems. Dabei können interessante Phänomene, wie etwa ein irregulärer Wärmefluss, beobachtet werden. Diese Arbeit steht am Anfang weiterführender Untersuchungen über die Quanten-Thermodynamik und liefert eine Toolbox zum Studium finiter Quantensysteme, weit entfernt vom üblicherweise angenommenen thermodynamischen Gleichgewicht.

.This thesis dives into the topic of quantum thermodynamics by exploring the new concept of Quantum Field Machine, a device designed to perform a task in the quantum realm. Such device requires quantum mechanics for its full description, while, at the same time, it is unfeasible to account for each and every degree of freedom, making statistical considerations crucial to describe its behaviour. These two requirements make it a genuine quantum heat engine operating at the intersection of thermodynamics and quantum mechanics. In the context of this work, a QFM is an ultra-cold atomic system consisting of three components. The main task of this machine is to cool down one of its components, using two basic operations (primitives), which have an equivalent counterpart in classical thermodynamics: The first operation is compression or expansion of one of the components (corresponding to a piston); the second operation consists of coupling pairs of components for energy exchange (resembling a valve). In this work, we carry out a numerical study of each primitive as well as several refrigeration cycles performed with the machine. We also demonstrate the experimental proof-of-concept implementation of each primitive. To that purpose, we use one dimensional Bose-Einstein condensates generated in the Atomchip platform. Furthermore, we look in detail at the consequences of driving two uncorrelated components of the machine in the strong coupling regime, where interesting phenomena, such as an anomalous flow of heat, can be observed. This work paves the way to further studies in quantum thermodynamics and provides tools for studying thermodynamics with quantum, finite systems, far from the usually assumed thermodynamic limit.