Quantum thermodynamic processes in closed nanoscopic model system

• Applicant: Professor Dr. Günter Mahler (†)
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2003 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5419577

• Final Report Year: 2008

Final Report Abstract

Das Rückgrat der Thermodynamik bilden zwar die bekannten Gleichgewichtszustände, dynamische Prozesse (und damit kontrollierte Abweichungen vom Gleichgewicht) stellen aber das wohl wichtigste Verbindungsglied dar zu potentiellen Anwendungen. Vor dem Hintergrund der Quantenthermodynamik konnten wir zeigen, wie man in systematischer Weise solche Prozesse bis in den Bereich der Nanothermodynamik formulieren kann. Stationäre Wärmeleitungsprozesse (Fourier'sches Gesetz) konnten so auf fundamentaler Ebene analysiert werden. Wir haben gezeigt, dass sich zyklische Prozesse als Kern-Element thermodynamischer Maschinen in den Quantenbereich herabskalieren lassen; dabei bleiben die bekannten fundamentalen Einschränkungen (maximale Carnot-Effizienz) universell gültig.

Publications

• Fourier's law confirmed for a class of small quantum systems, Euro. Phys, J. B 34, 325 (2003)
  M. Michel, M. Hartmann, J. Gemmer, G. Mahler
  
• Heat conductivity in small quantum systems: Kubo formula in Liouville space, Euro. Phys. J. B 42, 555 (2004)
  M. Michel, J, Gemmer, G. Mahler
  
• Quantum Thermodynamics - Emergence of Thermodynamic Behavior within Composite Quantum Systems, LNP 657, Springer Verlag Berlin. New York, 2004
  J. Gemmer, M. Michel
  
• Autonomous quantum thermodynamic machines, Phys. Rev. E 72, 066118 (2005)
  F. Tonner, G. Mahler
  
• Control of local relaxation behavior in closed bipartite quantum systems, Phys. Rev. E 72, 016117 (2005)
  H. Schmidt, G. Mahler
  
• Emergence of thermodynamical behavior within composite quantum systems, Physica E 29, 53 (2005)
  G. Mahler. M. Michel, J. Gemmer
  
• Fourier's law from Schrödinger dynamics, Phys. Rev. Lett. 95, 180602 (2005)
  M. Michel, J. Gemmer, G. Mahler
  
• Global and local relaxation of a spin chain under exact Schrödinger and master-equation dynamics, Phys. Rev. E 72, 026104 (2005)
  M, Henrich, M. Michel, M, Hartmann, J. Gemmer, G. Mahler
  
• Quantum heat transport: Perturbation theory in Liouville space, Physica E 29, 129 (2005)
  M. Michel, J. Gemmer, G. Mahler
  
• Microscopic quantum mechanical foundation of Fourier's law, Int. J. Mod. Phys. B20, 4855 (2006)
  M. Michel, J. Gemmer, G. Mahler
  
• Quantum limit of the Carnot engine, Fortschr. Physik 54, 939 (2006)
  F. Tonner, G. Mahler
  
• Sniall quantum information networks operating as thermodynamic machines, Europhys. Lett. 76, 1057 (2006)
  M. Henrich, M. Michel, G. Mahler
  
• A cyclic cooling algorithm, Phys, Rev. A 76, 032325 (2007)
  F. Rempp, M. Michel, G, Mahler
  
• Driven spin systems as quantum thermodynamic machines: Fundamental limits, Phys. Rev. E 75, 051118 (2007)
  M. J. Henrich, G. Mahler, M. Michel
  
• Finite time quantum thermodynamic processes, EPJ-ST 151, 167 (2007)
  Th, Jahnke, J. Birjukov, G. Mahler
  
• Non-thermal equilibrium states of closed bipartite systems, Phys. Rev. E 75, 061111 (2007)
  H. Schmidt, G. Mahler
  
• Quantum thermodynamic Ottomachines: A spin-system approach, EPJ-ST 105, 157 (2007)
  M. Henrich, F. Rempp, G, Mahler
  
• On the nature of thermodynamic extremum principles, Annalen der Physik 17, 88 (2008)
  Th. Jahnke, J. Birjukov, G. Mahler