Termalización

Tendencia de los cuerpos al equilibrio térmico.

En física , la termalización (o termalización ) es el proceso por el que los cuerpos físicos alcanzan el equilibrio térmico mediante la interacción mutua. En general, la tendencia natural de un sistema es hacia un estado de equipartición de energía y temperatura uniforme que maximice la entropía del sistema . Por lo tanto, la termalización, el equilibrio térmico y la temperatura son conceptos fundamentales importantes dentro de la física estadística , la mecánica estadística y la termodinámica ; todos los cuales son la base para muchos otros campos específicos de comprensión científica y aplicación de ingeniería .

Ejemplos de termalización incluyen:

• el logro del equilibrio en un plasma . ^[1]
• El proceso que sufren los neutrones de alta energía al perder energía al chocar con un moderador . ^[2]
• El proceso de emisión de calor o fonones por portadores de carga en una célula solar , después de que se absorbe un fotón que excede la energía de la banda prohibida del semiconductor . ^[3]

La hipótesis, fundamental para la mayoría de los libros de texto introductorios que tratan la mecánica estadística cuántica , ^[4] supone que los sistemas alcanzan el equilibrio térmico (termalización). El proceso de termalización borra la memoria local de las condiciones iniciales. La hipótesis de la termalización del estado propio es una hipótesis sobre cuándo los estados cuánticos sufrirán termalización y por qué.

No todos los estados cuánticos sufren termalización. Se han descubierto algunos estados que no lo hacen (ver más abajo), y sus razones para no alcanzar el equilibrio térmico no están claras en marzo de 2019 ^[actualizar].

Descripción teórica

El proceso de equilibrio se puede describir utilizando el teorema H o el teorema de relajación, ^[5] ver también producción de entropía .

Sistemas resistentes a la termalización.

Algunos de estos fenómenos que resisten la tendencia a termalizarse incluyen (ver, por ejemplo, una cicatriz cuántica ): ^[6]

• Cicatrices cuánticas convencionales, ^{[7] [8] [9] [10]} que se refieren a estados propios con densidad de probabilidad mejorada a lo largo de órbitas periódicas inestables mucho más altas de lo que uno podría predecir intuitivamente a partir de la mecánica clásica.
• Cicatrización cuántica inducida por perturbaciones: ^{[11] [12] [13] [14] [15]} a pesar de la similitud en apariencia con las cicatrices convencionales, estas cicatrices tienen un mecanismo subyacente novedoso que surge del efecto combinado de estados casi degenerados y estados espacialmente localizados. [ ^{11] [15]} y pueden emplearse para propagar paquetes de ondas cuánticas en un punto cuántico desordenado con alta fidelidad. ^[12]
• Cicatrices cuánticas de muchos cuerpos.
• Localización de muchos cuerpos (MBL), ^[16] sistemas cuánticos de muchos cuerpos que retienen la memoria de su condición inicial en observables locales durante períodos de tiempo arbitrarios. ^{[17] [18]}

Otros sistemas que resisten la termalización y que se comprenden mejor son los sistemas cuánticos integrables ^[19] y los sistemas con simetrías dinámicas. ^[20]

Referencias

1. "Colisiones y termalización". sdphca.ucsd.edu . Consultado el 14 de mayo de 2018 .
2. "NRC: Glosario - Termalización". www.nrc.gov . Consultado el 14 de mayo de 2018 .
3. Andersson, Olof; Kemerink, Martijn (diciembre de 2020). "Mejora del voltaje de circuito abierto en células solares orgánicas de gradiente mediante la rectificación de las pérdidas por termalización". RRL solares . 4 (12): 2000400. doi : 10.1002/solr.202000400 . ISSN  2367-198X. S2CID  226343918.
4. Sakurai JJ. 1985. Mecánica cuántica moderna . Menlo Park, California: Benjamín/Cummings
5. Reid, James C.; Evans, Denis J.; Searles, Debra J. (11 de enero de 2012). "Comunicación: más allá del teorema H de Boltzmann: demostración del teorema de relajación para un enfoque no monótono del equilibrio" (PDF) . La Revista de Física Química . 136 (2): 021101. doi : 10.1063/1.3675847. hdl : 1885/16927 . ISSN  0021-9606. PMID  22260556.
6. "Las cicatrices cuánticas parecen desafiar el impulso del universo hacia el desorden". Revista Quanta . 20 de marzo de 2019 . Consultado el 24 de marzo de 2019 .
7. Heller, Eric J. (15 de octubre de 1984). "Funciones propias de estado ligado de sistemas hamiltonianos clásicamente caóticos: cicatrices de órbitas periódicas". Cartas de revisión física . 53 (16): 1515-1518. Código bibliográfico : 1984PhRvL..53.1515H. doi :10.1103/PhysRevLett.53.1515.
8. Kaplan, L (1 de enero de 1999). "Cicatrices en funciones de onda caóticas cuánticas". No linealidad . 12 (2): R1–R40. doi :10.1088/0951-7715/2/12/009. ISSN  0951-7715. S2CID  250793219.
9. Kaplan, L.; Heller, EJ (10 de abril de 1998). "Teoría lineal y no lineal de las cicatrices de función propia". Anales de Física . 264 (2): 171–206. arXiv : chao-dyn/9809011 . Código Bib : 1998AnPhy.264..171K. doi :10.1006/aphy.1997.5773. ISSN  0003-4916. S2CID  120635994.
10. Heller, Eric (5 de junio de 2018). El camino semiclásico hacia la dinámica y la espectroscopia. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-1-4008-9029-3. OCLC  1104876980.
11. Keski-Rahkonen, J.; Ruhanen, A.; Heller, EJ; Räsänen, E. (21 de noviembre de 2019). "Cicatrices cuánticas de Lissajous". Cartas de revisión física . 123 (21): 214101. arXiv : 1911.09729 . Código bibliográfico : 2019PhRvL.123u4101K. doi : 10.1103/PhysRevLett.123.214101. PMID  31809168. S2CID  208248295.
12. Luukko, Perttu JJ; Drury, Byron; Klales, Anna; Kaplan, Lev; Heller, Eric J.; Räsänen, Esa (28 de noviembre de 2016). "Fuertes cicatrices cuánticas por impurezas locales". Informes científicos . 6 (1): 37656. arXiv : 1511.04198 . Código Bib : 2016NatSR...637656L. doi :10.1038/srep37656. ISSN  2045-2322. PMC 5124902 . PMID  27892510. 
13. Keski-Rahkonen, J.; Luukko, PJJ; Kaplan, L.; Heller, EJ; Räsänen, E. (20 de septiembre de 2017). "Cicatrices cuánticas controlables en puntos cuánticos de semiconductores". Revisión Física B. 96 (9): 094204. arXiv : 1710.00585 . Código Bib : 2017PhRvB..96i4204K. doi : 10.1103/PhysRevB.96.094204. S2CID  119083672.
14. Keski-Rahkonen, J; Luukko, PJJ; Åberg, S; Räsänen, E (21 de enero de 2019). "Efectos de las cicatrices sobre el caos cuántico en pozos cuánticos desordenados". Revista de Física: Materia Condensada . 31 (10): 105301. arXiv : 1806.02598 . doi :10.1088/1361-648x/aaf9fb. ISSN  0953-8984. PMID  30566927. S2CID  51693305.
15. Keski-Rahkonen, Joonas (2020). Caos cuántico en nanoestructuras bidimensionales desordenadas. Universidad de Tampere. ISBN 978-952-03-1699-0.
16. Nandkishore, Rahul; Huse, David A.; Abanin, DA; Serbyn, M.; Papić, Z. (2015). "Localización y termalización de muchos cuerpos en mecánica estadística cuántica". Revista Anual de Física de la Materia Condensada . 6 : 15–38. arXiv : 1404.0686 . Código Bib : 2015ARCMP...6...15N. doi :10.1146/annurev-conmatphys-031214-014726. S2CID  118465889.
17. Choi, J.-y.; Hild, S.; Zeiher, J.; Schauss, P.; Rubio-Abadal, A.; Yefsah, T.; Khemani, V.; Huse, fiscal del distrito; Bloch, I.; Bruto, C. (2016). "Explorando la transición de localización de muchos cuerpos en dos dimensiones". Ciencia . 352 (6293): 1547-1552. arXiv : 1604.04178 . Código Bib : 2016 Ciencia... 352.1547C. doi : 10.1126/ciencia.aaf8834. PMID  27339981. S2CID  35012132.
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19. Caux, Jean-Sébastien; Essler, Fabián HL (18 de junio de 2013). "Evolución temporal de los observables locales después del enfriamiento a un modelo integrable". Cartas de revisión física . 110 (25): 257203. arXiv : 1301.3806 . doi : 10.1103/PhysRevLett.110.257203 . PMID  23829756. S2CID  3549427.
20. Buča, Berislav; Tindall, José; Jaksch, Dieter (15 de abril de 2019). "Dinámica cuántica coherente no estacionaria de muchos cuerpos mediante disipación". Comunicaciones de la naturaleza . 10 (1): 1730. doi :10.1038/s41467-019-09757-y. ISSN  2041-1723. PMC 6465298 . PMID  30988312.