孤子热机的谱热力学

我们展示了一个热力学引擎，其工作物质是异质电流驱动约瑟夫森结中的sine-Gordon孤子。我们证明孤子可以作为热力学工作物质，其内部谱结构使得能量转换超越传统的少能级引擎。通过使用可控偶极电流动态变形孤子，孤子的内部束缚态谱可以随时间调控，从而实现基于谱控制的有限时间类Carnot循环，这与量子热机非常相似。将瞬时的非线性场构型映射到一个有效的薛定谔算子，我们揭示了在循环过程中束缚态如何出现、接近连续谱阈值以及消失。通过比较三种热力学描述（全非线性场动力学、粗粒化介观模型和两能级谱模型），我们表明少能级描述系统地低估了引擎性能。效率的提升源于孤子的扩展性质，其内部谱自由度提供了额外的能量存储和传输通道。我们的结果揭示了一个普遍的热力学原理：具有类粒子行为的扩展非线性激发可以作为可调谐的工作介质，其内部谱自由度提供了超越少能级系统的额外可逆能量存储和传输通道。