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Two-stroke optimization scheme for mesoscopic refrigerators

机译：介观冰箱的二冲程优化方案

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摘要

Refrigerators use a thermodynamic cycle to move thermal energy from a cold reservoir to a hot one. Implementing this operation principle with mesoscopic components has recently emerged as a promising strategy to control heat currents in micro and nanosystems for quantum technological applications. Here we combine concepts from stochastic and quantum thermodynamics with advanced methods of optimal control theory to develop a universal optimization scheme for such small-scale refrigerators. Covering both the classical and the quantum regime, our theoretical framework provides a rigorous procedure to determine the periodic driving protocols that maximize either cooling power or efficiency. As a main technical tool, we decompose the cooling cycle into two strokes, which can be optimized one by one. In the regimes of slow or fast driving, we show how this procedure can be simplified significantly by invoking suitable approximations. To demonstrate the practical viability of our scheme, we determine the exact optimal driving protocols for a quantum microcooler, which can be realized experimentally with current technology. Our work provides a powerful tool to develop optimal design strategies for engineered cooling devices and it creates a versatile framework for theoretical investigations exploring the fundamental performance limits of mesoscopic thermal machines.
机译：冰箱使用热力循环将热能从冷库转移到热库。使用介观组件来实现此操作原理最近已成为一种有前途的策略，可用于控制量子技术应用的微纳米系统中的热流。在这里，我们将随机和量子热力学的概念与最优控制理论的先进方法相结合，为这种小型冰箱开发了通用的优化方案。我们的理论框架涵盖了经典和量子机制，提供了一种严格的程序来确定使冷却功率或效率最大化的周期性驱动协议。作为主要技术工具，我们将冷却循环分解为两个冲程，可以一次一个地优化。在慢速或快速驾驶的情况下，我们展示了如何通过调用适当的近似值来显着简化此过程。为了证明我们方案的实际可行性，我们确定了量子微冷却器的确切最佳驱动协议，该协议可通过当前技术通过实验实现。我们的工作为开发工程冷却设备的最佳设计策略提供了强大的工具，并为理论研究探索了介观热机的基本性能极限提供了通用框架。

著录项

  • 来源
    《Physical review》 |2019年第22期|224306.1-224306.16|共16页
  • 作者

    Menczel Paul; Pyharanta Tuomas; Flindt Christian; Brandner Kay;

  • 作者单位

    Aalto Univ, Dept Appl Phys, Aalto 00076, Finland;

    Aalto Univ, Dept Appl Phys, Aalto 00076, Finland;

    Aalto Univ, Dept Appl Phys, Aalto 00076, Finland;

    Aalto Univ, Dept Appl Phys, Aalto 00076, Finland;

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