Gauge invariant quantum thermodynamics: foundations and applications to critical systems

dc.contributor.advisor1Céleri, Lucas Chibebe
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6630683190018665
dc.contributor.referee1Céleri, Lucas Chibebe
dc.contributor.referee2Oliveira, Thiago Rodrigues de
dc.contributor.referee3Almeida, Norton Gomes de
dc.creatorMelo, Gabriel Fernandez Ferrari
dc.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/9634351317361792
dc.date.accessioned2025-05-12T17:45:15Z
dc.date.available2025-05-12T17:45:15Z
dc.date.issued2025-04-04
dc.description.abstractIn this formalism, thermodynamic quantities are described as functionals of the density operator and emerge from a coarse-graining process over all unitary transformations that preserve the system’s energy - a set we refer to as the thermodynamic group. This approach intrinsically incorporates informational access limitations to the system, constrained to energy basis measurements. Our contribution generalizes the expressions for invariant heat and work beyond the treatment presented in [3], explicitly including the consideration of dynamic degenerate energy levels. More than a formal extension, we establish a rigorous physical interpretation of these quantities through the non-unitary dynamics of the effective state obtained by the coarse-graining induced by the thermodynamic group. We demonstrate that the fundamental restriction to energy basis measurements implies the inaccessibility of part of the system’s energy, interpreted as an effective heat associated with the production of coherences in the energy basis. Consequently, the derived work corresponds to the system’s effective work, with its energetic contribution reduced by the portion allocated as heat. Within the second law context, we introduce the gauge-invariant entropy, proving it satisfies all required properties for a thermodynamic entropy. This entropy exhibits an explicit dependence on the thermodynamic group, manifested through an entropic contribution directly linked to the Hamiltonian’s spectral degeneracies. Crucially, we identify that the origin of entropy production coincides with that of heat in closed systems, both emerging from the inherent non-unitarity in the coarse-grained state’s dynamics. As a final application, we implement our formalism in the quantum dynamics of spin systems undergoing quenches, revealing that coherent heat captures signatures of irreversibility. In critical systems, the quantities derived within this theory prove fundamental for understanding modifications in the system’s symmetry structure relative to the internal symmetries of the thermodynamic gauge groupeng
dc.description.resumoNeste trabalho, formalizamos e estendemos o approach para a termodinâmica quântica como uma teoria de gauge, inicialmente proposta por Céleri e Rudnicki na Ref. [3]. Nesse formalismo, as quantidades termodinâmicas são descritas como funcionais do operador densidade e emergem de um processo de Coarse-graining sobre todas as transformações unitárias que preservam a energia do sistema - conjunto que denominamos grupo termodinâmico. Essa abordagem incorpora intrinsicamente as limitações de acesso informacional ao sistema, restrito ao conhecimento de medições na base de energia. Nossa contribuição generaliza as expressões para calor e trabalho invariantes além do tratamento apresentado em [3], incluindo explicitamente a consideração de níveis de energia degenerados dinâmicos. Mais que uma extensão formal, estabelecemos uma interpretação física rigorosa dessas quantidades através da dinâmica não unitária do estado efetivo obtido pelo Coarse-graining induzido pelo grupo termodinâmico. Demonstramos que a restrição fundamental a medições na base de energia implica na inacessibilidade de parte da energia do sistema, interpretada como um calor efetivo associado à produção de coerências na base de energia. Consequentemente, o trabalho derivado corresponde ao trabalho efetivo do sistema, com sua contribuição energética reduzida pela parcela alocada como calor. No contexto da segunda lei, introduzimos a entropia invariante de gauge, provando que satisfaz todas as propriedades requeridas para uma entropia termodinâmica. Essa entropia apresenta uma dependência explícita do grupo termodinâmico, manifesta através de uma contribuição entrópica diretamente vinculada às degenerescências do espectro do Hamiltoniano. Crucialmente, identificamos que a origem da produção de entropia coincide com a do calor em sistemas fechados, ambas emergindo da não-unitariedade inerente à dinâmica do estado de Coarse-graining. Como aplicação final, implementamos nosso formalismo na dinâmica quântica de sistemas de spins sujeitos a quenches, revelando que o calor coerente captura assinaturas de irreversibilidade. Em sistemas críticos, as quantidades derivadas nesta teoria provam-se fundamentais para entender as modificações na estrutura de simetrias do sistema em relação às simetrias internas do grupo de gauge termodinâmico
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
dc.identifier.citationMELO, G. F. F. Gauge invariant quantum thermodynamics: Foundations and applications to critical systems. 2025. 183 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Instituto de Física, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2025.
dc.identifier.urihttp://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/14291
dc.languageeng
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáspor
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentInstituto de Física - IF (RMG)
dc.publisher.initialsUFGpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Fisica (IF)
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectTermodinâmica quânticapor
dc.subjectGrupo termodinâmicopor
dc.subjectCalor em sistemas fechadospor
dc.subjectCoerências quânticaspor
dc.subjectSimetriaspor
dc.subjectQuantum thermodynamicseng
dc.subjectThermodynamic groupeng
dc.subjectHeat in closed systemseng
dc.subjectQuantum coherenceseng
dc.subjectSymmetrieseng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA GERAL::FISICA CLASSICA E FISICA QUANTICA; MECANICA E CAMPOS
dc.titleGauge invariant quantum thermodynamics: foundations and applications to critical systems
dc.title.alternativeTermodinâmica quântica invariante de calibre: fundamentos e aplicações em sistemas críticospor
dc.typeDissertação

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