Projekti / Programi
Termodinamika disipativnih nanosistemov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.02 |
Naravoslovje |
Fizika |
Teoretična fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P190 |
Naravoslovno-matematične vede |
Matematična in splošna teoretična fizika, klasična mehanika, kvantna mehanika, relativnost, gravitacija, statistična fizika, termodinamika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
kvantna mehanika, večdelčni sistemi, statistična fizika, disipativni sistemi, transport
Raziskovalci (6)
Organizacije (2)
Povzetek
Povzetek
-------------
Termodinamika je teorija, ki opisuje obnašanje makroskopskih opazljivk v sistemih, ki imajo ponavadi veliko prostostnih stopenj. Kvantna mehanika je na drugi strani teorija, ki opisuje majhne sisteme, v splošnem nekomutirajoče mikroskopske opazljivke, in ima produktno tenzorsko strukturo Hilbertovega prostora. Jezik in skala na kateri obe teoriji delujeta najbolje je torej različna, čeprav se v principu mora dati izpeljati statistične zakone, na katerih temelji termodinamika, iz mikroskopskih kvantnih zakonov.
V klasišni fiziki obstaja teorija, ki so prizadeva ravno to -- mikroskopsko pojasniti termodinamiko. Imenuje se teorija dinamičnih sistemov (oz. ergodična teorija ali teorija kaosa). Eno izmed njenih pomembnih spoznanj je, da lahko že s modelskih sistemih z malo prostostnimi stopnjami pojasnimo obnašanje večdelčnih sistemov. Ker je analiza majhnih sistemov enostavnejša, to pomeni, da je teorija dinamičnih sistemov dodelana in uveljavljena teorija. Toda mikroskopski zakoni so kvantni, in tukaj se zadeve zakomplicirajo, predvsem zaradi tenzorske strukture prostora. Kvantni sistemi se lahko kvalitativno obnašajo drugače, predvsem na račun eksponentno naraščajoče kompleksnosti, ko povečujemo število delcev, kar s pridom izkorišča kvantna informacijska teorija. Eksponentna kompleksnost pomeni, da je analiza takšnih sistemov zapletena, kar posledično pomeni, da je fizika večdelčnih kvantnih sistemov precej manj raziskana, z mnogimi slavnimi nerešenimi problemi (npr. superprevodnost, transport v 1D Heisenbergovem modelu, itd.).
Nekaj nedavnih dosežkov pa je precej povečalo zanimanje za večdelčne kvantne sisteme. Na eni strani so tukaj eksperimenti, ki so vedno bolj napredni in danes omogočajo kontrolirano manipulacijo posameznih kvantnih objektov. Na drugi strani je tukaj tudi motivacija s strani tehnologije, primer je npr. vedno bolj miniaturna elektronika, za delovanje katere je potrebno razumeti nanoskopske sisteme, ki so sklopljeni z okolico, zraven tega pa si tudi želimo, da bi konstruirali nove nano naprave, ki bi izkoriščale kompleksnost kvantne fizike. Neneyadnje pa je motivacije tudi čisto teoretična -- želimo razumeti, kakšni statistični zakoni veljajo za večdelčne kvantne sisteme. Ker so takšni sistemi ponavadi neizbežno sklopljeni z okolico, je potrebno študirati t.i. disipativne sisteme.
Namen predlaganega projekta je študirati statistične lastnosti večdelčnih disipativnih sistemov. Radi bi tudi povdarili, da je večina vprašanj, ki se jih nameravamo lotiti, za disipativne sisteme popolnoma neraziskanih. Za nekatere menimo, da so zelo pomembna, vsaj glede na pomembnost analognih vprašanj za zaprte Hamiltonske sisteme. Prepričani smo, da je pionirski pristop zagotovilo za nove in zanimive rezultate. Posebej se bomo lotili vprašanja spektralnih lastnosti disipativnih propagatorjev, kot je npr. slavno vprašanje obstoja spektralne reže. Ker bomo imeli opravka z nehermitskimi linearnimi operatorji to odpira popolnoma novo področje v fiziki -- pri delu z zaprtimi sistemi imamo skoraj vedno opravka le s hermitskimi operatorji. Drugo pomembno vprašanje je moč transformacij, ki jih lahko naredimo z omejenimi resursi. Pomemben primer je hlajenje nanosistemov ob realističnih omejitvah lokalnosti interakcij. Študirali bomo tudi fenomenološke zakone, kot so transport, enosmerni transport in termoelektričnost, ter fluktuacije v enostavnih nanostrojih, s povdarkom na veljavnosti oz. kršitvah termodinamskih zakonov. Iskali bomo tudi nova stanja in faze snovi, posebej izven ravnovesja. Pomemben in zelo aktualen primer je večdelčna lokalizacija.
Pomen za razvoj znanosti
Področje disipativnih sistemov je sicer staro, študirano predvsem v kontekstu sistemov nekaj delcev, področje večdelčnih sistemov pa se prebija v ospredje šele nedavno. Podobno velja za termodinamiko nanostrojev. Trdno smo prepričani, da je sedaj idealni trenutek za študij obeh področij, saj so se pojavili novi močni analitični rezultati, kot tudi močne numerične metode. Termodinamika je zanimiva tudi sama po sebi saj ni mikroskopska teorija, torej deluje ne glede na zakone, ki veljajo na mikroskopskem nivoju, Kot taka ima posebno mesto v fiziki in njeno razumevanje na ravni druge fundamentalne fizikalne teorije -- kvantne fizike -- je osnovnega pomena.
Naša skupina je ne tem področju med prodornejšimi. Za ilustracijo lahko povemo, da smo kljub majhnosti, skupina šteje namreč le 5 članov, v preteklih 5 letih objavili 23 člankov v najprestižnejši fizikalni reviji Physical Review Letters.
Sledi opis pomena posameznih točk.
Karakterizacija kaotičnosti in integrabilnosti s spektralnimi fluktuacijami yaprtih sistemov je eden izmed glavnih dosežkov teorije kvantnega kaosa. Podoben dosežek za disipativne sisteme pod točko 1.i) bi zagotovo bil pomemben prispevek. Študija reže pod točko 1.ii) in njen pomen sta bili že povdajeni v točki 11. Razumevanje relaksacijskih časov bi bil pomemben korak k izgradnji koherentne slike neravnovesnih kvatnih sistemov, nekaj kar je na ravni klasičnih sistemov precej bolje razumljeno.
Študij optimalne kontole v točki 2.i) and npr. metode hlajenja bi bile pomembne tudi za eksperimente. Radi bi ponovno povdarili, da je formalizem Lindbladovih enačb, ki ga nameravamo študirati, naravni in pravilen opis za moderne eksperimente z hladno snovjo. Glede na to, da je le-to eno izmed propulzivnejših področij fizike, je odmevnost rezultatov zagotovljena.
Študija transporta v modelskih sistemih pod 3.i) je pomembna za teoretično razumevanje fenomenoloških zakonov. Opozorili bi, da velja prepričanje, da je za razlago nekaterih slovitih odprtih problemov, npr. visokotemperaturne superprevodnosti, potrebno razumeti fiziko prav teh modelov. Razrešitev transporta v Heisenbergovem modelu bi končno razrešila zelo staro vprašanje. Vprašanje z morda največjim pomenom za tehnologijo je vprašanje termoelektričnosti. Kakeršnikoli preboj na tem področju bi imel posledice tudi izven znanosti.
Večdelčna lokalizacija pod točko 4.i) je pomembno področje, saj ima ta faza popolnoma drugačne lastnosti kot katerikoli drugo stanje snovi. To tudi pojasni eksplozijo zanimanja v zadnjih dveh letih (samo v 2014 je bilo na arXivu objavljenih več kot 90 člankov na to temo). Na tem področju smo v preteklosti že orali ledino (naša študija v PRB iz 2008 je bila ena izmed prvih).
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt bo prispeval k razvoju bazične znanosti. Kljub temu pa so nekatere predlagane točke bližje aplikativnosti in torej tudi širši pomembnosti za družbo in gospodarstvo. Izpostavimo lahko tri takšne točke, in sicer 2.) -- študija kontole kvantnih sistemov, 2.ii) nanostroji, ter tudi 3.i) kjer bomo preučevali transport in termoelektričnost. Ostala vpračanja, ki se jih bomo lotili, so bolj teoretične narave, bodo pa prispevala k razumevanju teh bolj aplikativnih točk.
Kontrola kvantnih sistemov, postopki ohlajanja, ter študije nanostrojev so zaenkrat v domeni laboratorijev, kar pa se bi lahko v luči bliskovitega napredka na tem področju spremenilo v naslednjih 5-10 letih. Kot primer lahko navedemo kvantno kriptografijo, ki je še pred 10 leti bila le teoretični koncept, danes pa kar nekaj podjetij prodaja komercialne kvantne kriptografske sisteme (kupci so banke, vladne ustanove, vojska,...). Medtem ko uporabnih kvantnih računalnikov zagotovo še ne bomo imeli v naslednjih 10 letih se pa to lahko zgodi za nekatere druge naprave. Še posebej za tiste, ki temljijo na povprevodniški tehnologiji ali pa na manipulaciji fotonov. Termodinamika na nanoskali je tudi v širšem zanimanju industrije elektronskih komponent.
Področje z največjim pomenom za dručbo, ki ga bomo preučili, je transport in še posebej termoelektričnost. Termoelektričnost oz. prizadevanja za čim večji ZT je ogromno področje ki sega na področje znanosti o materialih, kemije, fizike, in tudi teoretične fizike. Najboljši materiali, ki jih poznamo, imajo ZT okoli 2, medtem ko je točka preloma, kjer bi postale termoelektrične naprave tudi širše komercialno zanimive, pa je pri okoli ZT 3. Tak preboj bi imel ptevilne korenite posledice. Lahko bi na primer uporabili odpadno toploto za produkcijo elektrike (kot primer, vsi večji avtomobilski proizvajalci imejo razvojne programe na to temo; z termolektrišnimi napravami v izpustu je cilj izboljšati porabo goriva do 10%, trenutno jim uspeva povrniti okoli 500 W moči).
Rezultati na področju termoelektričnosti bi torej prispevali k širšim družbenim ciljem, kot sta učinkovita raba energije in zelene tehnologije.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
