Quantum Thermodynamic Uncertainties in Nonequilibrium Systems from Robertson-Schrödinger Relations
热力学的不确定原理是非平衡系统中为数不多的几个锚点之一，涨落定理更为人们所熟悉。在这项工作中，我们的目标是跟踪非平衡系统中的热力学量的不确定性的量子起源，即量子不确定原理。我们的结果使我们能够做出这样的明确声明：对于高斯系统，热力学函数是罗伯逊-薛定谔不确定性函数的泛函，它对于量子系统总是非负的，但对于经典系统不一定如此。在这里，量子是指正则算子对的非交换性。从非平衡自由能[1]出发，我们成功地推导出了某些热力学量之间的几个不等式。它们的形式与传统热力学中的形式相同，但它们在本质上是非平衡的，并且在强耦合下对所有时间都成立。此外，我们还证明了在系统的非平衡动力学中始终存在涨落耗散不等式。对于非平衡系统，在后期松弛到平衡态，这种波动耗散不等式导致罗伯逊-薛定谔不确定原理的帮助下的柯西-施瓦茨不等式。这一工作为宏观非平衡系统的某些重要热力学性质提供了微观量子基础。
2022-05-25 cond-mat.stat-mech hep-th quant-ph
Nonequilibrium Brownian motion beyond the effective temperature
热平衡条件简化了波动的理论处理，如在著名的爱因斯坦的布朗运动的迁移率和扩散率之间的关系中发现的。最近的几个理论放宽了热平衡的假设，导致至少两个主要的情况。对于分离良好的时间尺度，如在老化的玻璃体系中，平衡涨落耗散定理适用于每个尺度，并具有其自己的“有效”温度。对于混合时间尺度，例如在活性或颗粒流体或湍流中，温度不再是明确定义的，波动的动力学性质完全显现，并且适用广义波动耗散定理（GFDT）。在这里，我们研究实验的混合时标制度，通过研究波动和线性响应的布朗运动的旋转入侵者沉浸在振动流化颗粒介质。增加填充分数，该系统从一个稀单时间尺度政权走向一个更密集的多时间尺度阶段。爱因斯坦的关系在前者中成立，在后者中被违反。这种违反不能用有效温度来解释，而GFDT能够将其归因于入侵者与周围流体之间的强耦合的出现。直接的实验测量证实了当密度增加时系统中空间相关性的发展。
2014-04-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Analysis of slow transitions between nonequilibrium steady states
非平衡稳态之间的转变服从广义克劳修斯不等式，该不等式在准静态极限下变为等式。对于缓慢但有限的过渡，我们表明，该系统的行为是由一个响应矩阵的元素是由一个远离平衡格林-久保公式，涉及衰减的相关性评估的非平衡稳态。这一结果导致非绝热熵产生的平均值和方差之间的波动耗散关系，$Δs_{\rm na}$。此外，我们的研究结果扩展-非平衡稳态-的热力学度规结构引入Sivak和克鲁克斯分析最小耗散协议之间的过渡平衡态。
2015-07-22 cond-mat.stat-mech
Dynamical signatures of molecular symmetries in nonequilibrium quantum transport
对称性在自然界中普遍存在的系统中起着至关重要的作用。在这项工作中，我们提出了一个优雅的方法来检测对称性通过测量量子电流。我们的检测方案依赖于在反对称初始条件下启动系统，相对于对称站点，并使用像本地噪声一样的探针。取决于探针的位置，电流表现出独特的签名，如准稳态平台，表明存在亚稳定性和多指数衰减的情况下，多个对称性。当相干系统动力学的时间尺度远大于探测器的时间尺度时，这些特征对探测器很敏感，并且完全消失。这些结果表明，使用$4$ -网站模型和对苯环的原型的例子，并被证明是强大的弱无序下。
2016-06-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Prethermalization in the transverse-field Ising chain with long-range interactions
研究了具有长程伊辛相互作用的孤立量子自旋链的非平衡动力学，该相互作用随距离$r$衰减为$1/r^α$（$0<α<1$）.事实证明，长程相互作用会产生一个大的时间尺度分离，这会导致所有$α\in(0,1)$的预热化。这一结论是通过比较两个重要的弛豫动力学相关的时间尺度推导出来的;一个是本地置换算子的弛豫时间，这是在这个系统中的准守恒量，另一个是由于量子涨落的增长的初始弛豫的时间尺度。我们还利用离散截断Wigner近似研究了整个非平衡态动力学，这与上述结果是一致的。
2018-10-03 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech quant-ph
Nonlinear Response Identities and Bounds for Nonequilibrium Steady States
The University of Tokyo（东京大学）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics（马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所）
本文提出了一种非平衡稳态非线性响应的通用理论，通过均值首次通过时间与响应的联系，推导出响应与线性响应的精确关系，并建立响应大小和分辨率的普遍界限。
2026-03-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Nonequilibrium Thermodynamics. Symmetric and Unique Formulation of the First Law, Statistical Definition of Heat and Work, Adiabatic Theorem and the Fate of the Clausius Inequality: A Microscopic View
热和功在非平衡态热力学中的地位是相当混乱和不唯一的，即使在第一定律在交换热和功方面有很长的历史之后，目前仍有相互矛盾的解释，并且远未解决。此外，交换量缺乏一定的对称性。通过将传统的概念推广到包括它们的时间相关的不可逆分量，允许我们以对称形式dE（t）= dQ（t）-dW（t）来表示第一定律，其中dQ（t）和功dW（t）出现在平等的基础上并且具有对称性。我们证明了不可逆功转化为不可逆热。根据微观状态概率p_{i}（t）进行的统计分析唯一地将dW（t）确定为等熵的，而将dQ（t）确定为dE（t）的等距变化（见正文）;对于交换量，不会出现这种明显的分离。因此，我们的第一定律的新公式提供了巨大的优势，并导致了一个非常有用的非平衡态热力学公式，正如我们最近所展示的那样。我们证明了绝热过程不会改变p_{i}。无论系统偏离平衡多远，所有这些结果都是有效的。当系统处于内部平衡时，dQ（t）\equivT（t）dS（t）表示系统的瞬时温度T（t），这让人联想到平衡。我们证明了p_{i}（t）具有与平衡态非常不同的形式。第一定律和第二定律不再是独立的，所以我们只需要一个定律，这又让人想起平衡。传统的公式如克劳修斯不等式{ \oint } d_{e} Q（t）/ T_{0} <0等变为等式{ \oint }dQ（t）/T（t）\equiv 0等，这是一个从不可逆性角度看非常显著但出乎意料的结果。我们确定…
2012-06-04 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Violation of the second fluctuation-dissipation relation and entropy production in nonequilibrium medium
研究了一类满足局部细致平衡的非平衡介质的朗之万动力学方程。对于浸入介质中的探针的有效动力学，我们推导出一个不等式，该不等式限制了第二波动耗散关系（FDR）的违反。我们还讨论了有效动力学的有效性。特别是，我们表明，从非平衡线性响应理论得到的有效动力学是一致的，从奇异摄动方法。作为这些结果的一个例子，我们提出了一个简单的非平衡介质模型，其中的粒子受到开关随机电位。对于这个模型，我们表明，第二个FDR是恢复在快速切换限制，虽然粒子是平衡。
2022-03-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Nonequilibrium thermodynamics at the microscale: Work relations and the second law
对于宏观系统，热力学第二定律建立了与热库接触的系统所做的功与其自由能变化之间的不等式。对于微观系统，这个结果必须从统计学上考虑，因为围绕平均行为的波动变得很大。近年来，人们已经认识到，这些波动满足一些强大的和意想不到的关系，仍然有效，即使当系统被驱动远离平衡。我们讨论这些关系，并考虑它们揭示了热力学第二定律和在微观尺度上的不可逆性的性质。
2010-02-05 cond-mat.stat-mech
Computationally feasible bounds for the free energy of nonequilibrium steady states, applied to simple models of heat conduction
本文提出基于Bogoliubov不等式和变分原理的计算可行自由能界，用于非平衡稳态系统，并以不同温度热浴耦合的谐振子链验证，可估计热通量等效应。
2024-03-16 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Fluctuation Properties of Steady-State Langevin Systems
受气候现象随机模式的启发，研究了一个带加性高斯白噪声的线性随机模式的定态问题。非平衡稳态的涨落定理对这些涨落的性质提供了限制。研究了不受涨落定理约束的涨落的性质，并将其与模型参数联系起来。轨道段的不可逆性满足涨落定理，可作为非平衡涨落的度量。的不可逆性概率密度函数（PDF）的时刻被发现和PDF被认为是非高斯。对于短的和长的轨迹段，平均不可逆性趋于零，并且对于一些有限的段长度具有最大值，这定义了波动的特征时间尺度。初始平均不可逆增长率等于平均熵产生，与噪声放大有关。对于具有确定性时间尺度分离的系统，具有比轨迹时间跨度短得多的时间尺度并且其噪声幅度不是渐近大的模式，不对一阶不可逆性统计作出贡献，为降维提供了潜在的基础。
2007-11-14 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph
Open XXZ spin chain: Nonequilibrium steady state and strict bound on ballistic transport
本文给出了在（弱）耦合参数下，由Lindblad算符驱动的均匀最近邻Heisenberg XXZ自旋1/2链的非平衡定态的前两阶显式矩阵乘积解.一阶密度算符在热力学极限下成为一个精确的伪局部守恒定律，并通过Mazur不等式得到一个严格的高温自旋Drude重量的下界。对于|Delta| <1，这种Mazur界限是各向异性参数Delta的非零分形函数。
2011-05-27 cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el nlin.SI
A Two-Step Biopolymer Nucleation Model Shows a Nonequilibrium Critical Point
生物聚合物自组装途径是生物活性的核心，但由于生物聚合物的单体亚基具有采用不同构象状态的能力而变得复杂。因此，生物聚合物成核通常涉及两步机制，其中单体首先缩合形成亚稳中间体，然后通过其组成单体的构象重排转化为稳定的聚合物。虽然现有的数学模型忽略了中间体转化为稳定聚合物的动力学，但实验和模拟表明，这些动力学经常发生在与中间体的缩合和成熟聚合物的生长相当的时间尺度上，因此不能忽略。此外，成核中间体是导致诸如阿尔茨海默氏病、帕金森氏病和朊病毒疾病等病理学中的细胞毒性的原因。由于构象与生物功能的关系，这些物种的缓慢转化动力学将强烈影响其毒性。在这项研究中，我们提出了一个修改后的Oosawa模型，明确说明同时组装和转换。为了描述的转换动力学，我们提出了一个实验动机的初始传播（IP）机制，其中稳定的相位出现在本地的中间，然后通过最近邻相互作用引起的额外的转换事件，类似于一维的Glauber动力学传播。我们的数学分析表明，竞争的组装和转换的时间尺度的结果在一个非平衡的临界点，分离的制度，中间体是动力学不稳定的构象混合中间体可以积累。我们的工作提供了两步生物聚合物成核的第一个通用模型，它可以用来定量预测生物关键中间体的浓度和组成。
2019-12-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Entropy flux and Lagrange multipliers: information theory and thermodynamics
我们分析了信息论中使用的非平衡拉格朗日乘子和刘的技术利用熵不等式中使用的拉格朗日乘子之间的关系。我们观察到，刘的技术和信息论之间并不完全等价。
1998-11-27 cond-mat.stat-mech
A Universal Thermodynamic Inequality: Scaling Relations Between Current, Activity, and Entropy Production
本文提出一个普适热力学不等式，将非平衡系统的净速度、熵产生率与动力学活性联系起来，并引入无量纲比率统一离散与连续随机热力学，为纳米机器和活性系统的输运效率提供实验约束。
2025-08-22 cond-mat.stat-mech
Clausius Inequality for Finite Baths Reveals Universal Efficiency Improvements
我们研究熵产生的纳米器件，这是耦合到有限的热浴。这种情况是越来越多的实验相关性，但大多数理论方法依赖于制定的第二定律有效的无限浴。我们解决这个问题指出，已经克劳修斯'文件从1865年包含一个适当的制定第二定律的有限热浴，这也可以严格来自微观量子描述。这个克劳修斯不等式表明，非平衡过程不像以前认为的那样不可逆。我们用它来正确地扩展兰道尔的原则，有限浴，我们证明，任何热机接触有限浴有一个更高的效率比以前认为的。重要的是，我们的结果很容易研究，只需要平均浴能量的知识。
2021-07-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Physical insight into the thermodynamic uncertainty relation using Brownian motion in tilted periodic potentials
使用布朗运动的周期性势$V(x)$倾斜的力$f$，我们提供了物理洞察热力学不确定性关系，最近提出的统计误差和不可逆的非平衡稳态热耗散的原则。根据该关系式，耗散过程产生的非平衡输出必然引起能量成本或热耗散$q$，并且为了将输出波动限制在相对不确定性$ε$内，至少必须耗散$2k_BT/ε^2$的热。我们的模型表明，这个绑定不仅在接近平衡（$f\ll V'(x)$），但也在远离平衡$(f\gg V'(x))$，更一般地说，当耗散的热量是正态分布。在临界力附近，当势阱之间的势垒即将消失时，能量消耗最大，布朗粒子的涨落最大。这些结果表明，热分布偏离高斯性导致了不确定关系的不等式，进一步阐明了不确定关系的含义。我们的不确定性关系的推导也认识到一个新的约束的非平衡波动的方差耗散热（$σ_q^2$）增加其平均值（$μ_q$），不能小于$2k_BTμ_q$。
2017-07-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Optimal thermodynamic uncertainty relation in Markov jump processes
本文研究Markov跳过程中TUR型不等式的紧致性与最优性，证明伪熵产生给出最优Fisher信息，并通过纳入广义经验测度使不等式在一般非平衡定态系统中等号成立，从而揭示其层级结构。
2021-07-09 cond-mat.stat-mech
Scaling of the entropy production rate in a $φ^4$ model of Active Matter
在活跃的$φ^4$场论中，非平衡项在描述活跃的相分离中起着重要的作用;然而，在临界点，它们在重整化群的意义上是不相关的。它们的无关性使得临界指数与伊辛普适类的临界指数相同。尽管它们无关紧要，但它们有助于在临界状态下熵产生率的非平凡缩放。我们考虑非保守标量场$φ$（模型A）的非平衡动力学驱动的持续噪声，是相关的有限时标$τ$，在活性浴的情况下的平衡。我们计算了熵产生率密度$σ$，并研究了它在临界点附近的标度。我们发现，类似于活动模型A的情况下，虽然非零熵产生率在两个模型中的非线性是相当不同的，无关参数$τ$使临界动力学不可逆。
2022-04-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Nonequilibrium friction and free energy estimates for kinetic coarse-graining -- Driven particles in responsive media
本文研究非平衡条件下响应性介质中驱动粒子的粗粒化方法，通过恒速约束模拟估计平均力与速度依赖摩擦，并在1D势垒和3D聚合物膜模型中验证其可用于低维Langevin模拟预测输运性质。
2025-07-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.app-ph
Thermodynamic Uncertainty Relation for Arbitrary Initial States
热力学测不准关系（TUR）描述了非平衡流和熵产生之间的权衡关系，是非平衡热力学的基本原理。然而，目前已知的TURs的前提是特定的初始状态或无限时间的平均，这严重限制了适用范围。在这里，我们得到了一个有限时间TUR有效的任意初始状态从Cramér-Rao不等式。我们发现，累积电流的方差是由瞬时电流在最后的时间，这表明“边界是由体积约束”。我们将我们的结果反馈控制的过程，并成功地解释了最近的实验报告违反了修改后的TUR反馈控制。我们还得到了一个TUR，这是线性的总熵产生和有效的离散时间马尔可夫链与非稳定的初始状态。所得到的界指数提高了现有的离散时间制度的界限。
2020-08-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Timescale separation solution of Kadanoff-Baym equations for quantum transport in time-dependent fields
与含时外场的相互作用，特别是含时驱动和量子关联之间的相互作用，改变了电子输运通过纳米系统的熟悉的画面。虽然非相互作用电子的AC量子输运问题的精确解已经知道了二十多年，但相关粒子的处理提出了一个重大的理论挑战。本文利用快电子隧穿和慢驱动时间尺度的微扰分离，发展了一种实用的非平衡格林函数含时量子输运方法。在格林函数中，快速的电子动力学与相对时间相关，而慢速驾驶与中心时间相关。特征电子隧穿时间与谐波驱动周期的比值被用作理论中的一个小参数，以获得格林函数的收敛时间导数展开。这使得Kadanoff-Baym方程在Wigner空间中的代数解成为可能。因此，我们产生了分析表达式的动态校正先进的，滞后的，和较少的格林函数，以及交流电流的改进表达式。该方法适用于一般情况下的多通道电子输运通过一个相关的中心区域。该理论被应用到不同的运输方案：通过一个驱动的单共振水平的时间相关的运输相比，精确的结果和电子输运通过分子结所描述的Holstein模型与时间振荡的电压偏置也进行了研究。
2020-02-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Steepest-entropy-ascent quantum thermodynamic modeling of heat and mass diffusion in a far-from-equilibrium system based on a single particle ensemble
本文利用最速熵升原理（SEA）建立了一个非平衡态下局部孤立系弛豫的热力学模型。SEA原理在热力学状态空间中可表示为一个变分原理。该模型是能够达到这样一个系统的Onsager关系。由于没有假设的局部平衡，共轭通量和力，这导致，是固有的系统的状态空间的子空间，并使用亚平衡状态和非平衡密集的属性，它描述了热力学状态空间的子空间之间的非相互平衡状态的概念定义。的Onsager关系示出的是一个热力学运动学特征的系统独立的具体细节的微机械动力学。研究了具有不同约束条件的两种松弛过程（即，守恒定律）对应于热量和质量扩散。在近平衡区的线性行为以及在远离平衡区的非线性行为进行了讨论。热力学关系在平衡和近平衡领域，包括吉布斯关系，克劳修斯不等式，和Onsager关系，推广到远离平衡领域。在内禀共轭通量和力所围成的空间中，用二次耗散势表示变分原理。作为一个应用，该模型被应用到一个系统的热量和质量扩散的单粒子系综表示，这也可以适用于一个简单的系统的许多粒子。在近平衡状态下，导出了唯象输运系数。
2016-01-12 cond-mat.stat-mech
Alternating steady state in one-dimensional flocking
我们研究群集在一个维度，引入一个晶格模型，其中粒子可以向左或向右移动。我们发现，该模型表现出连续的非平衡相变从凝聚相，其中一个单一的“羊群”包含一个有限分数的颗粒，到一个均匀的相，我们研究的过渡使用数值有限尺寸标度。令人惊讶的是，在凝聚相的稳定状态是交替的，与平均运动方向的粒子逆转随机的时间尺度成比例的系统大小的对数。我们提出了一个简单的论点来解释这种对数依赖性。我们认为，逆转是必不可少的凝聚的生存。因此，离散的方向对称性不会自发破缺。
1998-11-24 cond-mat.stat-mech
Slow relaxation in long-range interacting systems with stochastic dynamics
准定态是在确定性哈密顿演化下，在某些长程相互作用系统中观察到的长寿命非平衡态。这些有趣的非玻尔兹曼状态随着时间的推移放松到平衡状态，随着系统大小的代数发散。为了测试这种现象的鲁棒性，非确定性的动力学过程，我们已经推广的范式模型表现出这样的行为，哈密顿平均场模型，包括能量守恒的随机过程。基于Boltzmann方程、标度方法和数值研究的分析表明，在长时间限制下，系统在不随系统大小代数发散的时间尺度上弛豫到平衡态.因此，准平稳性只发生在由随机过程的强度确定的时间上的交叉现象。
2010-07-27 cond-mat.stat-mech
