Advanced

Transport properties and full counting statistics of electrons in double quantum dots operated by Maxwell’s demon

Annby Andersson, Björn LU (2020) FYSM30 20181
Mathematical Physics
Department of Physics
Abstract
During recent years, Maxwell’s demon has regained interest in the work of understanding
the connection between thermodynamics and information theory. This thesis presents
transport properties of electrons in a double quantum dot system operated by Maxwell’s
demon. The demon transports electrons from a lower to higher chemical potential through
a pump-like scheme without performing any net work on the electrons. To describe and
simulate the dynamics of the system, we use rate equations, full counting statistics, and
a Monte Carlo method. We observe that the implementation of the demon works, and
that the three approaches give the same results.
Popular Abstract (Swedish)
Termodynamik är ett ämne som nyligen har fått förnyat intresse inom ett antal olika forskningsdiscipliner. En av frågorna som intresserar är hur information och energi är relaterat; skulle en demonisk varelse kunna vara nyckeln till att förstå en sådan relation?

Klassisk termodynamik, eller bara termodynamik, är en teori inom fysiken som utvecklades under 1700- och 1800-talen med målet att effektivisera värme- och ångmaskiner. Teorin beskriver beteendet hos system där enormt många partiklar är involverade. Ett simpelt exempel på ett sådant system är ett glas vatten; i en deciliter vatten finns det ca 10^(24) vattenmolekyler, det är så många att det är fullständigt omöjligt att hålla reda på enskilda molekyler. Inom termodynamiken... (More)
Termodynamik är ett ämne som nyligen har fått förnyat intresse inom ett antal olika forskningsdiscipliner. En av frågorna som intresserar är hur information och energi är relaterat; skulle en demonisk varelse kunna vara nyckeln till att förstå en sådan relation?

Klassisk termodynamik, eller bara termodynamik, är en teori inom fysiken som utvecklades under 1700- och 1800-talen med målet att effektivisera värme- och ångmaskiner. Teorin beskriver beteendet hos system där enormt många partiklar är involverade. Ett simpelt exempel på ett sådant system är ett glas vatten; i en deciliter vatten finns det ca 10^(24) vattenmolekyler, det är så många att det är fullständigt omöjligt att hålla reda på enskilda molekyler. Inom termodynamiken studeras därför kvantiteter som är enkla att mäta, exempelvis tryck, temperatur och volym.

Termodynamikens andra lag är ett centralt begrepp inom termodynamiken. Den andra lagen säger att entropin i ett fysikaliskt system alltid måste maximeras; entropi är en komplex kvantitet som är svår att greppa, men vanligtvis säger man att entropin beskriver oordningen i ett system. För att ta ett exempel; om två objekt av olika temperatur, ett varmt och ett kallt, förs samman, skulle nog alla vara överens om att värme strömmar från det varmare objektet till det kallare tills båda objekten har samma temperatur. I denna process ökar entropin.

Under slutet av 1800-talet formulerade fysikern James Clerk Maxwell ett tanke-experiment som tycks bryta mot termodynamikens andra lag. I tanke-experimentet skapar en demonisk varelse energi från ingenting, något som är omöjligt; energi kan ju som bekant omvandlas mellan olika former men aldrig skapas eller förstöras. Denna paradox går under namnet Maxwells demon, och går faktiskt att lösa genom att betrakta den demoniska varelsen som ett fysikaliskt system. På detta sätt kan man visa att experimentet inte bryter mot den andra lagen. Det som faktiskt händer är att demonen konverterar information till energi, och i slutänden har entropin maximerats.

Maxwells demon har under senare tid börjat intressera fysiker från olika discipliner. Dagens teknologiska framfart har gjort det möjligt att fabricera system av nanometerstorlek där det är möjligt att implementera Maxwells demon. Anledningen till att demonen fått så mycket uppmärksamhet är att den är en perfekt kandidat för att studera hur information konverteras till energi.

Denna masteruppsats undersöker om det är möjligt att implementera en Maxwell-demon i ett system som utgörs av två seriekopplade kvantprickar. Maxwell-demonen kan styra energinivåerna i kvantprickarna på ett sådant sätt att elektroner kan transporteras från en lägre till en högre elektrisk potential utan att spendera något arbete. Detta är anmärkningsvärt eftersom processen där elektroner transporteras till en högre potential vanligtvis kräver att arbete spenderas. Resultaten visar att det i teorin skulle vara möjligt att konstruera demonen på detta sättet. I huvudsak undersöks transportegenskaper så som elektrisk ström och dess fluktuationer. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Annby Andersson, Björn LU
supervisor
organization
course
FYSM30 20181
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
quantum thermodynamics, thermodynamics, Maxwell's demon, electron transport, full counting statistics, quantum dots, rate equation, information-thermodynamics link
language
English
id
8969530
date added to LUP
2019-02-06 13:18:59
date last changed
2019-02-06 13:18:59
@misc{8969530,
  abstract     = {During recent years, Maxwell’s demon has regained interest in the work of understanding
the connection between thermodynamics and information theory. This thesis presents
transport properties of electrons in a double quantum dot system operated by Maxwell’s
demon. The demon transports electrons from a lower to higher chemical potential through
a pump-like scheme without performing any net work on the electrons. To describe and
simulate the dynamics of the system, we use rate equations, full counting statistics, and
a Monte Carlo method. We observe that the implementation of the demon works, and
that the three approaches give the same results.},
  author       = {Annby Andersson, Björn},
  keyword      = {quantum thermodynamics,thermodynamics,Maxwell's demon,electron transport,full counting statistics,quantum dots,rate equation,information-thermodynamics link},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Transport properties and full counting statistics of electrons in double quantum dots operated by Maxwell’s demon},
  year         = {2020},
}