Transporte Quântico de Calor em Sistemas Atômicos

Resumo

Contexto:O transporte de calor em sistemas em escalas atômicas se dá através excitações da rede,as quais são denominadas por fônons, que podem transmitir energia e momento e por isso também são consideradas quase-partículas, pois emergem como excitações quantizadas e também exibem propriedades comuns a partículas elementares. Para a descrição da transferência de calor no regime de baixas temperaturas é necessário levar em conta a dinâmica quântica para esses sistemas em baixas temperaturas por meio das correlações das variáveis do espaço de fase. Através da analogia com elétrons e fótons, foram propostas abordagens teóricas visando a fabricação de dispositivos como diodos térmicos, transistores térmicos e portas lógicas térmicas (LI,2006). Essas ideias deram origem ao campo emergente da fonônica. Assim como os elétrons carregam corrente elétrica e os fótons transportam informação na forma de luz, os fônons podem ser usados de maneira semelhante para transportar e processar informações térmicas. Problema: Estudos realizados por (Sena-Junior,2017) utilizaram modelos de estruturas nanomecânicas via método de equação de movimento para funções de Green fora de equilíbrio no espaço de fase para os graus de liberdade atômicos, com a determinação de expressões gerais para a corrente de calor dependente do tempo devido a um acionamento periódico externo, com discussão das propriedades termodinâmicas quânticas dos sistemas. A investigação da realização dos processos transientes e permanentes para a descrição da corrente de calor dependentente do tempo entre reservatórios a temperaturas distintas é importante, pois permite compreender o comportamento desses sistemas. Objetivo: A realização de mecanismos para o transporte fônico dependente do tempo por estruturas nanomecânicas permite a investigação da termodinâmica emergente nessas estruturas. São descritos o calor dependente do tempo e a potência de trabalho de processos transientes, permanentes (estacionários ou periódicos) entre reservatórios a temperaturas distintas perturbativamente. Metodologia: Na fase de desenvolvimento analítico foram utilizados a representação de funções de Green de não equilíbrio no espaço de fase de Keldysh, para descrever o transporte de calor de uma molécula que tem uma região central representando uma nanoestrutura acoplada com α-derivações, através de leis de conservação descreve-se propriedades termodinâmicas do sistema perturbado e periódico a temperaturas distintas, também foi desenvolvido analiticamente expressões afim de diminuir erros numéricos do computador. Foi utilizado o software Mathematica para obter os resultados dos cálculos numéricos da corrente de calor e da potência de trabalho. Resutados: É obtido a corrente de calor entre reservatórios por meio de perturbação em primeira ordem da série de Dyson para a função de Green para as correlações das variáveis do espaço de fase da rede elástica entre reservatórios de calor a temperaturas distintas, bem como da potência de trabalho realizado sobre o sistema acionado através dependência temporal nos parâmetros da própria rede para diferentes perfis de acoplamento. Conclusão: Nesse trabalho, é concluído que o transporte quântico de calor em um sistema atômico pode ser realizado via funções de Green de não equilíbrio para investigar a corrente de calor e por meio de perturbação em primeira ordem. Foi possível exibir o regime transiente, periódico e permanente dependente do tempo desses sistemas. O cálculo em ordens superiores da perturbação é necessário para alcançar resultados com maiores convergências.