Термализация

Стремление тел к тепловому равновесию

В физике термализация (или термализация ) — это процесс достижения физическими телами теплового равновесия посредством взаимного взаимодействия. В общем, естественная тенденция системы — к состоянию равнораспределения энергии и однородной температуры , которое максимизирует энтропию системы . Поэтому термализация , тепловое равновесие и температура являются важными фундаментальными понятиями в статистической физике , статистической механике и термодинамике ; все они являются основой для многих других конкретных областей научного понимания и инженерного применения .

Примеры термализации включают в себя:

• достижение равновесия в плазме . ^[1]
• процесс, которому подвергаются нейтроны высокой энергии , когда они теряют энергию при столкновении с замедлителем . ^[2]
• процесс испускания тепла или фононов носителями заряда в солнечном элементе после поглощения фотона , энергия которого превышает ширину запрещенной зоны полупроводника . ^[3]

Гипотеза, основополагающая для большинства вводных учебников по квантовой статистической механике , ^[4] предполагает, что системы приходят в состояние теплового равновесия (термализации). Процесс термализации стирает локальную память начальных условий. Гипотеза термализации собственных состояний — это гипотеза о том, когда квантовые состояния будут подвергаться термализации и почему.

Не все квантовые состояния подвергаются термализации. Были обнаружены некоторые состояния, которые этого не делают (см. ниже), и причины, по которым они не достигают теплового равновесия, неясны по состоянию на март 2019 года ^{[обновлять]}.

Теоретическое описание

Процесс уравновешивания можно описать с помощью H-теоремы или теоремы о релаксации, ^[5] см. также производство энтропии .

Системы, устойчивые к термализации

Классические системы

В широком смысле, классические системы с нехаотическим поведением не будут термализоваться. Системы со многими взаимодействующими компонентами, как правило, должны быть хаотическими , но это предположение иногда не выполняется. Известным контрпримером является проблема Ферми–Паста–Улама–Цингоу , которая демонстрирует неожиданную повторяемость и будет термализоваться только в течение очень больших временных масштабов. ^[6] Нехаотические системы, которые возмущены слабыми нелинейностями, не будут термализоваться для набора начальных условий с ненулевым объемом в фазовом пространстве, как утверждает теорема КАМ , хотя размер этого набора экспоненциально уменьшается с числом степеней свободы. ^[7] Многочастичные интегрируемые системы , которые имеют большое число сохраняющихся величин, не будут термализоваться в обычном смысле, но будут уравновешиваться в соответствии с обобщенным ансамблем Гиббса. ^{[8] [9]}

Квантовые системы

Некоторые из таких явлений, противостоящих тенденции к термализации, включают (см., например, квантовый шрам ): ^[10]

• Обычные квантовые шрамы, ^{[11] [12] [13] [14]} , которые относятся к собственным состояниям с повышенной плотностью вероятности вдоль нестабильных периодических орбит, намного превышающей ту, которую можно было бы интуитивно предсказать на основе классической механики.
• Квантовое рубцевание, вызванное возмущением: ^{[15] [16] [17] [18] [19]} несмотря на внешнее сходство с обычным рубцеванием, эти рубцы имеют новый базовый механизм, вытекающий из комбинированного эффекта почти вырожденных состояний и пространственно локализованных возмущений, ^{[15] [19]} и их можно использовать для распространения квантовых волновых пакетов в неупорядоченной квантовой точке с высокой точностью. ^[16]
• Многочастичные квантовые шрамы.
• Локализация многих тел (MBL) ^[20] квантовые системы многих тел, сохраняющие память о своем начальном состоянии в локальных наблюдаемых в течение произвольного периода времени. ^{[21] [22]}

Другими системами, которые сопротивляются термализации и которые лучше изучены, являются квантовые интегрируемые системы ^[23] и системы с динамическими симметриями. ^[24]

Ссылки

1. "Столкновения и термализация". sdphca.ucsd.edu . Получено 2018-05-14 .
2. "NRC: Глоссарий -- Термализация". www.nrc.gov . Получено 2018-05-14 .
3. Андерссон, Олоф; Кемеринк, Мартейн (декабрь 2020 г.). «Повышение напряжения холостого хода в градиентных органических солнечных элементах путем выпрямления потерь на термализацию». Solar RRL . 4 (12): 2000400. doi : 10.1002/solr.202000400 . ISSN  2367-198X. S2CID  226343918.
4. Sakurai JJ. 1985. Современная квантовая механика . Menlo Park, CA: Benjamin/Cummings
5. Reid, James C.; Evans, Denis J.; Searles, Debra J. (2012-01-11). "Communication: Beyond Boltzmann's H-theorem: Demonstration of the release Theorem for a non-monotonic approach to balance" (PDF) . The Journal of Chemical Physics . 136 (2): 021101. doi :10.1063/1.3675847. hdl : 1885/16927 . ISSN  0021-9606. PMID  22260556.
6. Проблема Ферми-Паста-Улама - Отчет о состоянии . Том 728. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. 2008. doi :10.1007/978-3-540-72995-2. ISBN 978-3-540-72994-5.
7. Дюма, Х. Скотт (2014). История КАМ – Дружественное введение в содержание, историю и значение классической теории Колмогорова–Арнольда–Мозера . [Хакенсак], Нью-Джерси: World Scientific Publishing Company Incorporated. ISBN 978-981-4556-58-3.
8. Дойон, Бенджамин; Хюбнер, Фридрих; Йошимура, Такато (2024-06-17). «Новые классические интегрируемые системы из обобщенных TT-деформаций». Physical Review Letters . 132 (25). arXiv : 2311.06369 . doi : 10.1103/PhysRevLett.132.251602. ISSN  0031-9007.
9. Спон, Герберт (2020). «Обобщенные ансамбли Гиббса классической цепи Тоды». Журнал статистической физики . 180 (1–6): 4–22. doi :10.1007/s10955-019-02320-5. ISSN  0022-4715.
10. «Квантовое рубцевание, по-видимому, бросает вызов стремлению Вселенной к беспорядку». Журнал Quanta . 20 марта 2019 г. Получено 24 марта 2019 г.
11. Хеллер, Эрик Дж. (1984-10-15). «Собственные функции связанного состояния классически хаотических гамильтоновых систем: шрамы периодических орбит». Physical Review Letters . 53 (16): 1515–1518. Bibcode :1984PhRvL..53.1515H. doi :10.1103/PhysRevLett.53.1515.
12. Каплан, Л. (1999-01-01). "Шрамы в квантовых хаотических волновых функциях". Нелинейность . 12 (2): R1–R40. doi :10.1088/0951-7715/12/2/009. ISSN  0951-7715. S2CID  250793219.
13. Каплан, Л.; Хеллер, Э.Дж. (1998-04-10). «Линейная и нелинейная теория шрамов собственных функций». Annals of Physics . 264 (2): 171–206. arXiv : chao-dyn/9809011 . Bibcode : 1998AnPhy.264..171K. doi : 10.1006/aphy.1997.5773. ISSN  0003-4916. S2CID  120635994.
14. Хеллер, Эрик (5 июня 2018 г.). Полуклассический путь к динамике и спектроскопии. Princeton University Press. ISBN 978-1-4008-9029-3. OCLC  1104876980.
15. Кески-Рахконен, Дж.; Руханен, А.; Хеллер, Э.Дж.; Рясянен, Э. (21 ноября 2019 г.). «Квантовые шрамы Лиссажу». Письма о физических отзывах . 123 (21): 214101. arXiv : 1911.09729 . Бибкод : 2019PhRvL.123u4101K. doi : 10.1103/PhysRevLett.123.214101. PMID  31809168. S2CID  208248295.
16. Луукко, Пертту Дж. Дж.; Друри, Байрон; Клалес, Анна; Каплан, Лев; Хеллер, Эрик Дж.; Рясянен, Эса (28 ноября 2016 г.). «Сильное квантовое рубцевание местными примесями». Научные отчеты . 6 (1): 37656. arXiv : 1511.04198 . Бибкод : 2016NatSR...637656L. дои : 10.1038/srep37656. ISSN  2045-2322. ПМК 5124902 . ПМИД  27892510. 
17. Кески-Рахконен, Дж.; Луукко, PJJ; Каплан, Л.; Хеллер, Э.Дж.; Рясянен, Э. (20 сентября 2017 г.). «Управляемые квантовые шрамы в полупроводниковых квантовых точках». Физический обзор B . 96 (9): 094204. arXiv : 1710.00585 . Бибкод : 2017PhRvB..96i4204K. doi : 10.1103/PhysRevB.96.094204. S2CID  119083672.
18. Кески-Рахконен, Дж; Луукко, PJJ; Оберг, С; Рясянен, Э (21 января 2019 г.). «Влияние рубцевания на квантовый хаос в неупорядоченных квантовых ямах». Физический журнал: конденсированное вещество . 31 (10): 105301. arXiv : 1806.02598 . дои : 10.1088/1361-648x/aaf9fb. ISSN  0953-8984. PMID  30566927. S2CID  51693305.
19. Кески-Рахконен, Йоонас (2020). Квантовый хаос в неупорядоченных двумерных наноструктурах. Университет Тампере. ISBN 978-952-03-1699-0.
20. Nandkishore, Rahul; Huse, David A.; Abanin, DA; Serbyn, M.; Papić, Z. (2015). «Многочастичная локализация и термализация в квантовой статистической механике». Annual Review of Condensed Matter Physics . 6 : 15–38. arXiv : 1404.0686 . Bibcode :2015ARCMP...6...15N. doi :10.1146/annurev-conmatphys-031214-014726. S2CID  118465889.
21. Choi, J.-y.; Hild, S.; Zeiher, J.; Schauss, P.; Rubio-Abadal, A.; Yefsah, T.; Khemani, V.; Huse, DA; Bloch, I.; Gross, C. (2016). «Изучение перехода многочастичной локализации в двух измерениях». Science . 352 (6293): 1547–1552. arXiv : 1604.04178 . Bibcode :2016Sci...352.1547C. doi :10.1126/science.aaf8834. PMID  27339981. S2CID  35012132.
22. Вэй, Кен Сюань; Раманатан, Чандрасекар; Каппелларо, Паола (2018). «Исследование локализации в ядерных спиновых цепях». Physical Review Letters . 120 (7): 070501. arXiv : 1612.05249 . Bibcode : 2018PhRvL.120g0501W. doi : 10.1103/PhysRevLett.120.070501. PMID  29542978. S2CID  4005098.
23. Ко, Жан-Себастьян; Эсслер, Фабиан HL (2013-06-18). «Временная эволюция локальных наблюдаемых после закалки в интегрируемую модель». Physical Review Letters . 110 (25): 257203. arXiv : 1301.3806 . doi : 10.1103/PhysRevLett.110.257203 . PMID  23829756. S2CID  3549427.
24. Буча, Берислав; Тиндалл, Джозеф; Якш, Дитер (2019-04-15). "Нестационарная когерентная квантовая динамика многих тел через диссипацию". Nature Communications . 10 (1): 1730. doi :10.1038/s41467-019-09757-y. ISSN  2041-1723. PMC 6465298 . PMID  30988312.