Termalización

Tendencia de los cuerpos hacia el equilibrio térmico

En física , la termalización (o termalización ) es el proceso por el cual los cuerpos físicos alcanzan el equilibrio térmico a través de la interacción mutua. En general, la tendencia natural de un sistema es hacia un estado de equipartición de energía y temperatura uniforme que maximiza 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 una base para muchos otros campos específicos de comprensión científica y aplicación de ingeniería .

Algunos ejemplos de termalización incluyen:

• el logro del equilibrio en un plasma . ^[1]
• el proceso que experimentan los neutrones de alta energía cuando pierden energía al colisionar con un moderador . ^[2]
• el proceso de emisión de calor o fonones por los 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, que es la base de 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 termalización de los estados propios es una hipótesis sobre cuándo los estados cuánticos experimentarán la termalización y por qué.

No todos los estados cuánticos experimentan termalización. Se han descubierto algunos estados que no lo hacen (ver más abajo) y las razones por las que no alcanzan el equilibrio térmico no están claras a fecha de marzo de 2019 ^[actualizar].

Descripción teórica

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

Sistemas resistentes a la termalización

Sistemas clásicos

En términos generales, los sistemas clásicos con comportamiento no caótico no se termalizarán. Generalmente se espera que los sistemas con muchos constituyentes interactuantes sean caóticos , pero esta suposición a veces falla. Un contraejemplo notable es el problema de Fermi–Pasta–Ulam–Tsingou , que muestra una recurrencia inesperada y solo se termalizará en escalas de tiempo muy largas. ^[6] Los sistemas no caóticos que se ven perturbados por no linealidades débiles no se termalizarán para un conjunto de condiciones iniciales, con un volumen distinto de cero en el espacio de fases, como lo establece el teorema KAM , aunque el tamaño de este conjunto disminuye exponencialmente con el número de grados de libertad. ^[7] Los sistemas integrables de muchos cuerpos , que tienen un número extenso de cantidades conservadas, no se termalizarán en el sentido habitual, sino que se equilibrarán de acuerdo con un conjunto de Gibbs generalizado. ^{[8] [9]}

Sistemas cuánticos

Algunos de estos fenómenos que resisten la tendencia a termalizarse incluyen (véase, por ejemplo, una cicatriz cuántica ): ^[10]

• Cicatrices cuánticas convencionales, ^{[11] [12] [13] [14]} que se refieren a estados propios con una densidad de probabilidad mejorada a lo largo de órbitas periódicas inestables mucho mayor que la que uno predeciría intuitivamente a partir de la mecánica clásica.
• Cicatrices cuánticas inducidas por perturbaciones: ^{[15] [16] [17] [18] [19]} a pesar de la similitud en apariencia con las cicatrices convencionales, estas cicatrices tienen un nuevo mecanismo subyacente que surge del efecto combinado de estados casi degenerados y perturbaciones localizadas espacialmente, ^{[15] [19]} y pueden emplearse para propagar paquetes de ondas cuánticas en un punto cuántico desordenado con alta fidelidad. ^[16]
• Cicatrices cuánticas de muchos cuerpos.
• Localización de muchos cuerpos (MBL), ^[20] sistemas cuánticos de muchos cuerpos que conservan la memoria de su condición inicial en observables locales durante cantidades arbitrarias de tiempo. ^{[21] [22]}

Otros sistemas que resisten la termalización y se entienden mejor son los sistemas integrables cuánticos ^[23] y los sistemas con simetrías dinámicas. ^[24]

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 celdas solares orgánicas de gradiente mediante la rectificación de pérdidas de termalización". Solar RRL . 4 (12): 2000400. doi : 10.1002/solr.202000400 . ISSN  2367-198X. S2CID  226343918.
4. Sakurai JJ. 1985. Mecánica cuántica moderna . Menlo Park, CA: Benjamin/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) . The Journal of Chemical Physics . 136 (2): 021101. doi :10.1063/1.3675847. hdl : 1885/16927 . ISSN  0021-9606. PMID  22260556.
6. El problema de Fermi-Pasta-Ulam: un informe de situación . Vol. 728. Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. 2008. doi :10.1007/978-3-540-72995-2. ISBN 978-3-540-72994-5.
7. Dumas, H. Scott (2014). La historia de KAM: una introducción amena al contenido, la historia y la importancia de la teoría clásica de Kolmogorov-Arnold-Moser . [Hackensack], Nueva Jersey: World Scientific Publishing Company Incorporated. ISBN 978-981-4556-58-3.
8. Doyon, Benjamin; Hübner, Friedrich; Yoshimura, Takato (17 de junio de 2024). "Nuevos sistemas integrables clásicos a partir de deformaciones TT generalizadas". Physical Review Letters . 132 (25). arXiv : 2311.06369 . doi :10.1103/PhysRevLett.132.251602. ISSN  0031-9007.
9. Spohn, Herbert (2020). "Conjuntos de Gibbs generalizados de la cadena de Toda clásica". Revista de física estadística . 180 (1–6): 4–22. doi :10.1007/s10955-019-02320-5. ISSN  0022-4715.
10. "Las cicatrices cuánticas parecen desafiar el impulso del universo hacia el desorden". Quanta Magazine . 20 de marzo de 2019 . Consultado el 24 de marzo de 2019 .
11. Heller, Eric J. (15 de octubre de 1984). "Funciones propias de estado ligado de sistemas hamiltonianos clásicamente caóticos: cicatrices de órbitas periódicas". Physical Review Letters . 53 (16): 1515–1518. Código Bibliográfico :1984PhRvL..53.1515H. doi :10.1103/PhysRevLett.53.1515.
12. Kaplan, L (1999-01-01). "Cicatrices en funciones de onda caóticas cuánticas". No linealidad . 12 (2): R1–R40. doi :10.1088/0951-7715/12/2/009. ISSN  0951-7715. S2CID  250793219.
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14. Heller, Eric (5 de junio de 2018). La vía semiclásica hacia la dinámica y la espectroscopia. Princeton University Press. ISBN 978-1-4008-9029-3.OCLC 1104876980  .
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19. Keski-Rahkonen, Joonas (2020). Caos cuántico en nanoestructuras bidimensionales desordenadas. Universidad de Tampere. ISBN 978-952-03-1699-0.
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24. Buča, Berislav; Tindall, Joseph; Jaksch, Dieter (15 de abril de 2019). "Dinámica cuántica coherente no estacionaria de muchos cuerpos a través de la disipación". Nature Communications . 10 (1): 1730. doi :10.1038/s41467-019-09757-y. ISSN  2041-1723. PMC 6465298 . PMID  30988312.