压缩热库对量子热二极管和三极管中热流以及熵产生性质的影响

摘要

二极管和三极管是电学领域两种重要的电子元件，二极管最大的特性是单向导电，具有整流、检波、稳压和调制电路的作用;三极管可以把微弱信号放大，用作无触点开关。正是由于二极管和三极管的发明，才有了现在丰富多彩的电子信息世界。类比于此，在过去的十几年里，人们在热力学领域提出了一些经典热二极管和三极管的模型，期望实现对热流的有效控制;最近人们又提出了基于量子系统的量子热二极管和三极管模型，期望在微纳尺寸上对热流进行有效控制。本文通过主方程的方法计算了压缩热库对两能级量子热二极管模型的整流效应和熵产生的影响，以及压缩热库对量子热三极管模型热流放大效应和熵产生的影响。
　　首先，本文介绍了由Joulain等人提出的两能级量子二极管模型（2TLS模型）和量子三极管模型（3TLS模型）。2TLS模型由两个子系统耦合组成，每个子系统与一个热库相连。2TLS模型在一定条件下可以对通过的热流起到整流作用。当系统中至少一侧子系统连接热库的温度所对应的能量低于子系统能级差时，系统具有明显整流效应。3TLS模型由三个子系统组成，其中一个子系统作为“基极”与其他两个子系统耦合在一起，另外两个子系统作为“发射极”和“集电极”不直接耦合，三个子系统分别与不同热库连接。3TLS模型在一定条件下可以对通过的热流起到放大作用。当“基极”子系统连接热库温度所对应的能量与系统中子系统耦合能量差一个数量级时，系统具有明显热流放大效应。
　　然后，本文研究了压缩热库对上述两种模型中热流性质的影响。压缩态是一种量子状态，在很多领域有广泛应用。压缩热库是一种基于声子压缩态的非平衡态热库，其本身会对系统做功。在2TLS系统中，将一侧子系统连接的热库替换成压缩热库后会产生一个由压缩热库指向无压缩热库的附加热流，当两侧温差较小时，明显增强系统整流效应。在3TLS系统中，将“基极”子系统所连接热库替换成压缩热库后会在“基极”子系统和压缩热库间差生一个由压缩热库指向“基极”子系统的附加热流，使系统热流放大效应随“基极”子系统连接热库温度升高而增大，当热库温度所对应的能量达到耦合能量约十分之一时放大效应最强，之后随热库的温度上升逐渐消失;将“发射极”和“集电极”子系统所连接的热库替换成压缩热库后会在系统中产生一个由压缩热库指向系统，再由系统指向其他两个热库的附加热流，使系统对热流的放大效应变得很小。
　　最后，本文研究了压缩热库对上述两种模型熵产生的影响。熵产生是系统中的一种信息流，著名的“麦克斯韦妖精”实验揭示了“信息-热”机制，即能够使用信息作为媒介来转化能量。本文通过解析推导发现决定系统熵产生的因素有两个，一是系统中发生能级跃迁的净几率。二是跃迁的能级差和所连接热库温度的比值ωij/Tp。在2TLS模型中，高能级差子系统与压缩热库连接后，系统熵产生比与一般热库连接时要低;而低能级差子系统与压缩热库连接后，会使熵产生在一定条件下出现负值。在3TLS模型中，“基极”子系统与压缩热库连接后，当压缩热库的温度很低时熵产生也会出现负值;将“发射极”和“集电极”子系统与压缩热库连接后，如果压缩热库的温度高于其他热库的温度，系统熵产生比连接一般热库时有所增加;反之，如果压缩热库的温度低于其他热库，系统熵产生有所降低。系统熵产生出现负值的原因是，该温度段内系统仅在压缩热库的作用下，发生了一些能级跃迁，且这些能级跃迁中净几率为负的跃迁所对应的ωij/Tp更大。系统在其他温度段上熵产生发生改变则是因为，压缩热库使系统中能级跃迁净几率发生改变，能级跃迁净几率增大，熵产生也增大。

目录

声明

摘要

第一章基本概念和背景

1．1二极管和三极管

1．2经典和量子热二极管和三极管

1．3压缩热库

1．4熵产生

1．5主方程法

1．6本文主要研究工作和内容安排

第二章2TLS模型和3TLS模型简介

2．1 2TLS模型介绍

2．1．1 2TLS模型

2．1．2计算

2．1．3 2TLS模型中热流和二极管效应分析

2．2 3TLS模型介绍

2．2．1 3TLS模型

2．2．2计算

2．2．3 3TLS模型中热流和二极管效应分析

第三章压缩热库对2TLS模型及3TLS模型中热流性质的影响

3．1 引言

3．2压缩热库对2TLS模型整流效应的影响

3．2．1模型和计算

3．2．2结果与分析

3．3压缩热库对3TLS模型热流放大效应的影响

3．3．1模型和计算

3．3．2结果与分析

3．4小结

第四章压缩热库对2TLS模型及3TLS模型熵产生的影响

4．1 引言

4．2压缩热库对2TLS模型熵产生的影响

4．2．1模型和计算

4．2．2结果与分析

4．3压缩热库对3TLS模型熵产生的影响

4．3．1模型和计算

4．3．2结果与分析

4．4小结

第五章总结

参考文献

致谢