Nonequilibrium thermodynamics of critical phenomena [article]

Christopher Wayne Wächtler, Gernot Schaller, Technische Universität Berlin
2020
Kritische Phänomene beschreiben die drastische Veränderung eines Systems bei Modifikation eines Parameters und treten in vielen Bereichen der Physik auf. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit solchen kritischen Phänomenen von klassischen und quantenmechanischen Systemen im Nichtgleichgewicht. Hierbei achten wir besonders auf eine konsistente Beschreibung im Einklang mit den fundamentalen Gesetzen der Thermodynamik. Auf diese Weise erhalten wir präzise Formulierungen von Wärme, Arbeit
more » ... on Wärme, Arbeit und Entropieproduktion und sind in der Lage, das thermodynamische Verhalten des Systems zu analysieren. Insbesondere betrachten wir Selbstoszillation, Synchronisation und Quantenphasenübergänge als drei Beispiele kritischer Phänomene. Um die thermodynamischen Eigenschaften von Selbstoszillation zu untersuchen, betrachten wir das Beispielmodell des Elektronen-Shuttles. Hierbei werden die selbsterhaltenden Oszillationen durch die Wechselwirkung von mechanischer Bewegung und sequentiellem Elektronentunneln angetrieben. Wir analysieren die Dynamik des Systems durch verschiedene Arten der Beschreibung, eine komplett stochastische Beschreibung, eine störungstheoretische Beschreibung und eine Mean-Field-Näherung, und leiten jeweils konsistent die Gesetze der Thermodynamik her. Der in der Mean-Field-Näherung beobachtete, abrupte Übergang zur Selbstoszillation ist in den stochastischen Beschreibungen durch Rauschen verwischt. Dies spiegelt sich auch in thermodynamischen Größen wie Wärme, Arbeit und Entropieproduktion der verschiedenen Beschreibungen wider. Als praktische Anwendung dieser Ergebnisse schlagen wir eine stochastische Rotormaschine vor, welche mit aktuellen Technologien hergestellt werden kann. Für realistische Parameter der einzelnen Komponenten zeigen wir, dass die Maschine in der Lage ist, chemische in mechanische Arbeit umzuwandeln und umgekehrt. Zudem läuft die Nanomaschine trotz des Umgebungsrauschens bemerkenswert stabil und lässt sich mühelos hochskalieren. Synchronisation is ein Merkmal kollektiven Verhaltens im N [...]
doi:10.14279/depositonce-10618 fatcat:obzasstg5bhg7gi7ge3kwwt7pi