Efficienza e stabilità di una batteria quantistica collisionale in presenza di anarmonicità

Abstract

Questo lavoro mira ad indagare una batteria quantistica collisionale in presenza di anarmonicità. Le batterie quantistiche sono sistemi s scala mesoscopica capaci di immagazzinare e rilasciare energia. Nell'ultimo decennio, diversi lavori teorici hanno esplorato questa idea e, negli ultimi anni, sono apparse le prime realizzazioni sperimentali. I dispositivi considerati finora si basano su collezioni di sistemi a due livelli, accoppiati con campi esterni. Tuttavia, la ricerca della configurazione ottimale per l'implementazione delle batterie quantistiche è un problema aperto. Recentemente, l'attenzione si è spostata sulle batterie quantistiche collisionali. Tra queste, un ruolo di primo piano è giocato dalle batterie a più livelli, solitamente oscillatori armonici, che vengono caricate attraverso interazioni sequenziali con una collezione di sistemi a due livelli. Il nome di dispositivi deriva dal fatto che si basano sui modelli collisionali introdotti per lo studio della dissipazione nei sistemi quantistici, dove l'ambiente è decomposto in una collezione di unità elementari che interagiscono con il sistema in esame. La differenza è che, nel contesto delle batterie, questi processi di interazione contribuiscono al trasferimento di energia dalle unità alla batteria. Come anticipato, questo lavoro mira ad esplorare la carica di questi dispositivi a più livelli, in un regime di accoppiamento batteria-charger debole e tenendo conto dell'anarmonicità. L'approccio numerico eseguito mostra differenze tra il protocollo di carica coerente e quello incoerente. Nel primo caso, è possibile immagazzinare una quantità significativa di energia nella batteria e estrarla quasi interamente mentre, nel secondo, ciò non è possibile. Similmente alle batterie quantistiche collisionali armoniche studiate in letteratura, le coerenze quantistiche portano quindi vantaggi in termini di energia immagazzinata ed estraibile, che in presenza di anarmonicità si rivelano essere più evidenti.

This work aims at investigating a collisional quantum battery in the presence of anharmonicity. Quantum batteries are systems at the mesoscopic scale capable of storing and releasing energy. In the last decade, several theoretical works have explored this idea and, in recent years, the first experimental realizations have appeared. The devices considered so far are based on collections of two-level systems, also interacting with each other, coupled with external fields. However, the search for the optimal configuration for the implementation of quantum batteries is still an open issue. Recently, the attention has shifted to collisional quantum batteries. Among these, a prominent role is played by multi-level batteries, usually harmonic oscillators, that are charged through sequential interactions with a collection of two-level systems. The name given to these devices derives from the fact that they are based on the collisional model introduced for the study of dissipation in quantum systems, where the environment is decomposed into a collection of elementary units that interact with the system under examination. The difference is that, in the context of batteries, these interaction processes contribute to the transfer of energy from the chargers to the battery. As anticipated, this work aims at exploring the charging of this type of device, in a regime of strong coupling between the battery and the chargers and taking into account the anharmonicity. The numerical approach performed shows differences between the coherent charging protocol and the incoherent one. In the first case, it is possible to store a significant amount of energy in the battery and to extract it almost entirely whereas, in the second case, these features are lost. Thus, similarly to the harmonic collisional quantum batteries studied in literature, quantum coherences lead to advantages in terms of charging perfomances which, however, are far more dramatic than those obtained in the harmonic case.