量子纳米电子学中热力学第二定律的虚幻裂痕

本文综述了量子热力学妖的理论；这类量子系统看似违反了热力学定律，类似于麦克斯韦妖。重点在于可利用纳米电子学实现的自主妖。此处“自主”指妖在无需任何外部测量或驱动的情况下运行，从而可以使用薛定谔方程对其整体热力学行为进行建模。我的主要目的是综述为何在此类系统中偶尔窥见的热力学定律裂痕被证明是虚幻的。为此，我通过实例展开，借助一个看似破坏第二定律的旧思想实验引入量子热力学的方法。该思想实验通常被称为斯莫卢霍夫斯基活板门，尽管它最早由麦克斯韦提出。斯莫卢霍夫斯基指出活板门的热运动使其动力学复杂化，但我认为他并未证明它必须遵循第二定律。这个问题现在具有实际意义，因为该活板门的纳米电子版本可用量子点制造。本文所呈现的方法表明，此类量子活板门遵循热力学定律。随后，综述讨论了其他表面看来打破热力学定律但实际上并未打破的自主妖，包括一个麦克斯韦妖的实验演示，以及一种利用非平衡资源（N-妖）的妖。文中讨论了一种对不同类型的自主妖进行分类的方法。最后简要综述了涨落如何影响纳米电子学，以及它们在随机热力学中的作用如何改变我们对熵的看法。