Lower and upper bounds of quantum battery power in multiple central spin systems

量子 自旋(空气动力学) 功率(物理) 上下界 物理 电池(电) 数学 量子力学 数学分析 热力学
作者
Li Peng,Wenbin He,Stefano Chesi,Hai‐Qing Lin,Xi-Wen Guan
出处
期刊:Physical Review A [American Physical Society]
卷期号:103 (5) 被引量:69
标识
DOI:10.1103/physreva.103.052220
摘要

We study the energy-transfer process in quantum battery systems consisting of multiple central spins and bath spins. Here with ``quantum battery'' we refer to the central spins, whereas the bath serves as the ``charger.'' For the single-central-spin battery, we analytically derive the time evolutions of the energy transfer and the charging power with arbitrary number of bath spins. For the case of multiple central spins in the battery, we find the scaling-law relation between the maximum power ${P}_{\mathrm{max}}$ and the number of central spins ${N}_{B}$. It approximately satisfies a scaling law relation ${P}_{\mathrm{max}}\ensuremath{\propto}{N}_{B}^{\ensuremath{\alpha}}$, where scaling exponent $\ensuremath{\alpha}$ varies with the bath spin number $N$ from the lower bound $\ensuremath{\alpha}=1/2$ to the upper bound $\ensuremath{\alpha}=3/2$. The lower and upper bounds correspond to the limits $N\ensuremath{\rightarrow}1$ and $N\ensuremath{\gg}{N}_{B}$, respectively. In thermodynamic limit, by applying the Holstein-Primakoff transformation, we rigorously prove that the upper bound is ${P}_{\mathrm{max}}=0.72BA\sqrt{N}{N}_{B}^{3/2}$, which shows the same advantage in scaling of a recent charging protocol based on the Tavis-Cummings model. Here $B$ and $A$ are the external magnetic field and coupling constant between the battery and the charger.

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