Termodinámica de un sistema no recíproco mediante modulación de acoplamiento

Abstract

Los dispositivos denominados isolators y circulators son fundamentales en sistemas que utilizan tecnologías de radiofrecuencia, microonda y ´óptica, tanto en sistemas clásicos como cuánticos. Estos dispositivos permiten la transmisión de ondas en una sola dirección, mientras que bloquean la transmisión en la dirección contraria. El análisis termodinámico de estos sistemas muchas veces no es posible en su totalidad, ya que se supone desde un principio la existencia de la no reciprocidad, con lo cual no es posible dar una descripción adecuada del coste energético de realizar dicha no reciprocidad en el sistema. Por ello, basándonos en un trabajo reciente de un sistema tipo circulator que no utiliza campos magnéticos, analizamos los costes termodinámicos para un agente externo. El sistema es modulado mediante la variación del acoplamiento de tres cavidades a lo largo del tiempo, lo cual propicia las condiciones para la no reciprocidad. El sistema es conectado a tres guías de ondas que actúan como baños y permite la propagación de ondas de una guía de onda a otra. Este sistema no puede actuar de forma no recíproca sin tener una pérdida de energía mediante el acoplamiento a las guías de onda. Por lo tanto, se analiza el coste de mantener la no reciprocidad del sistema mediante el análisis de la tasa de cambio del trabajo debido a la modulación de acoplamiento aplicada en el sistema. Adicionalmente, calculamos la tasa de cambio debido a la conducción coherente para comparar con el coste generado por la modulación de acoplamiento. Nuestros resultados muestran que el coste incurrido por la modulación de acoplamiento entre cavidades depende de la dirección de propagación de los fotones, y el coste total energético del sistema para un agente externo resulta ser menor para una de las dos direcciones posibles, es decir, en sentido horario o antihorario. Finalmente, concluimos que existe una dirección preferida para la propagación de fotones en nuestro sistema para determinados valores de frecuencia de cada cavidad, lo cual da información valiosa para la construcción de este sistema tipo circulator, y que podrá ayudar a futuras investigaciones que busquen realizar un sistema no recíproco como este, en el que sea importante la termodinámica del circulator.

Devices known as isolators and circulators are fundamental in systems that utilize radiofrequency, microwave and optical technologies, both in classical and quantum systems. These devices allow the transmission of waves in one direction while blocking transmission in the opposite direction. The thermodynamic analysis of these systems is often not fully possible, since non-reciprocity is assumed from the beginning, preventing a proper description of the energetic cost of achieving such non-reciprocity in the system. For this reason, based on a recent work on a circulator-type system that does not use magnetic fields, we analyze the thermodynamic costs from the perspective of an external agent. The initial system is modulated through the time-dependent variation of the coupling between three cavities, which initially creates the conditions for non-reciprocity. The system is connected to three waveguides that act as baths and allows the propagation of waves from one waveguide to another. This system cannot exhibit non-reciprocal behavior without incurring energy loss through coupling to the waveguides. Therefore, we analyze the cost of maintaining the system’s non-reciprocity by studying the rate of change of work due to the coupling modulation applied in the system. Additionally, we calculate the work rate due to the coherent drive and compare it to the energetic cost due to the coupling modulation. Our results show that the energy cost incurred by the coupling modulation between the cavities, depends on the propagation direction of the photons, and the total energetic cost for an external agent turns out to be lower for one of the two possible directions, that is, clockwise or counterclockwise. Finally, we conclude that there exists a preferred direction for photon propagation in our system for certain frequency values of each cavity, which provides valuable information for the construction of this circulator, and may help future research aiming to implement a non-reciprocal system of this kind, in which the thermodynamics of the circulator plays an important role.