<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1512998</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2025.1512998</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Entangled quantum Stirling heat engine based on two particles Heisenberg model with Dzyaloshinskii-Moriya interaction</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Rastegar-Sedehi and Cruz</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphy.2025.1512998">10.3389/fphy.2025.1512998</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Rastegar-Sedehi</surname>
<given-names>H. R.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Cruz</surname>
<given-names>Clebson</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2309830/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Department of Physics</institution>, <institution>College of Sciences</institution>, <institution>Jahrom University</institution>, <addr-line>Jahrom</addr-line>, <country>Iran</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Grupo de Informa&#xe7;&#xe3;o Qu&#xe2;ntica e F&#xed;sica Estat&#xed;stica</institution>, <institution>Centro de Ci&#xea;ncias Exatas e das Tecnologias</institution>, <institution>Universidade Federal do Oeste da Bahia - Campus Reitor Edgard Santos</institution>, <addr-line>Barreiras</addr-line>, <addr-line>Bahia</addr-line>, <country>Brazil</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1481548/overview">Nanrun Zhou</ext-link>, Shanghai University of Engineering Sciences, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1829596/overview">Nilakantha Meher</ext-link>, SRM University, India</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2023900/overview">Ekrem Aydiner</ext-link>, Istanbul University, T&#xfc;rkiye</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: H. R. Rastegar-Sedehi, <email>h.rastegar@jahromu.ac.ir</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>22</day>
<month>01</month>
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2025</year>
</pub-date>
<volume>13</volume>
<elocation-id>1512998</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>17</day>
<month>10</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>02</day>
<month>01</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2025 Rastegar-Sedehi and Cruz.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Rastegar-Sedehi and Cruz</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Quantum heat engines have attracted significant attention in recent years due to their potential to surpass classical thermodynamic limits by leveraging quantum effects such as entanglement and coherence. In this study, we analyze a quantum Stirling heat engine characterized by a working substance composed of a two-particle Heisenberg model with Dzyaloshinskii&#x2013;Moriya (DM) interaction under an external magnetic field. We investigate the impact of the antisymmetric interaction on the engine&#x2019;s efficiency across varying coupling parameters. Our findings demonstrate that the utilization of a two-qubit Heisenberg model in an entangled quantum Stirling heat engine can significantly enhance efficiency and performance. By optimizing the antisymmetric exchange parameters, we achieve substantial enhancements in engine efficiency, with results demonstrating that the efficiency attains remarkably high values compared to other cycles utilizing the same working substance. These enhancements are primarily influenced by the DM interaction and the entangled states of the working substance, leading to superior performance.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>quantum heat engine</kwd>
<kwd>entanglement</kwd>
<kwd>Dzyaloshinskii-Moriya interaction</kwd>
<kwd>stirling cycle</kwd>
<kwd>quantum thermodynamic</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">APP0041/2023 PPP0006/2024</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">Funda&#xe7;&#xe3;o de Amparo &#xe0; Pesquisa do Estado da Bahia<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100006181</named-content>
</contract-sponsor>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Quantum Engineering and Technology</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Research in quantum thermodynamics has shown that incorporating innovative design elements and optimizing thermodynamic cycles can significantly enhance the performance of Quantum Heat Engines (QHEs) [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. Over the past decade, researchers have made significant advancements in optimizing QHE performance by exploring and refining a wide range of thermodynamic cycles such as the Otto, Carnot, and Stirling cycles [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. Various working substances have been suggested, including single spins, quantum oscillators, and the XYZ spin chain model with Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>].</p>
<p>The examination of interacting qubits as operational entities within QHEs presents a compelling issue in quantum physics. In recent years, there has been significant investigation into the interplay of two qubits using the Heisenberg spin chain model, encompassing interactions between spins as well as spin-orbit coupling such as DM interaction [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]. Huang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>] conducted an extensive examination of a quantum Otto heat engine using a three-qubit XXZ model, considering the influences of DM interaction and magnetic field. Their study explored the effects of interaction and anisotropic parameters on both the work output and efficiency of QHEs. Similarly, Purkait et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] scrutinized the efficiency of quantum Stirling engines employing a working system of two Heisenberg-coupled spins near a Quantum Critical Point, attributing enhancements to the non-analytic nature of spin-spin correlation and entanglement. Additionally, Zhao et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>] investigated an entangled quantum Otto heat engine utilizing two-spin systems with DM interaction, revealing the significant role of DM interaction in the engine&#x2019;s thermodynamics.</p>
<p>Moreover, scientists have explored how quantum coherence and entanglement affect QHE efficiency, providing new insights into improving their performance [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>]. Various quantum thermodynamic cycles, including the Otto and Stirling cycles within two-spin working systems, have been studied to elucidate the impact of entanglement on QHE performance [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>].</p>
<p>In this context, our work focuses on elucidating the properties of an operational material and the theoretical framework for quantum heat engines (QHEs). We have studied a two-particle Heisenberg model with DM interaction under an external magnetic field as the working substance of a quantum Stirling heat engine. Unlike previous studies focusing on the Otto cycle [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>], this work investigates the role of the Dzyaloshinskii&#x2013;Moriya interaction within a Stirling cycle framework, which provides unique insights into the interplay between entanglement and antisymmetric exchange parameters. The study examines the impact of antisymmetric interaction on engine efficiency by altering coupling parameters and entanglement levels in the initial and third stages of the cycle. Our findings indicate that the DM interaction significantly enhances efficiency, revealing critical thresholds that optimize performance under different operational parameters. Optimizing these parameters can significantly improve efficiency, surpassing the Curzon-Ahlborn efficiency and reaching the Carnot limit. Additionally, fine-tuning entanglement levels has the potential to enhance efficiency. These results suggests that quantum heat engines have the potential to achieve higher performance levels through the exploration of antisymmetric aspects of spin systems.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Working substance: two-qubit isotropic Heisenberg XYZ model</title>
<p>Let us start by examining a two-qubit <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> spin chain employed as an operational material in a QHE system operating under the Stirling cycle. The Hamiltonian for the system is given by:<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the exchange constant, <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the antisymmetric exchange parameter, and <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the energy contribution associated with the external magnetic field. In this context, <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the standard Pauli operators. The first term signifies the interaction among adjacent spins, while the subsequent term represents the interaction with the external magnetic field. The exchange constant <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is crucial in describing different types of magnetic interactions; it can be positive or negative, indicating either antiparallel (entangled ground state) or parallel (separable ground state) scenarios [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>], respectively. This study focuses exclusively on the antiparallel scenario, considering the influence of the external magnetic field denoted by <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The four eigenvalues of this Hamiltonian can be obtained as follows:<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>We determine the occupation probabilities, denoted as <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, of the system through a series of calculations. The probability for each state, with the normalization condition, is given by:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the partition function and <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The entropy for the system at thermal equilibrium is:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Quantum stirling heat engine and the Heisenberg model</title>
<p>The universal behavior of quantum heat engines was extensively discussed in the academic literature, operating within the confines of all four thermodynamic regimes sanctioned by the Clausius formulation of the second law [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B47">47</xref>]. This accomplishment is realized through the precise manipulation of reservoir temperatures and working parameters. In particular, quantum Stirling cycles applied in magnetic systems present themselves as promising alternatives for developing universal quantum heat engines. A quantum Stirling cycle is composed of two quantum isothermal processes and two quantum isochoric processes [<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>]. It can be elucidated by analyzing the energy exchange in each step of the cycle:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>Stage 1: An isothermal expansion occurs when the system is connected to a hot reservoir at a constant temperature <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>: [<inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>]. To ensure thermal equilibrium, the magnetic coupling transitions gradually from <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In this step, the heat absorbed from the bath at temperature <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, represented by <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, can be expressed through the entropy change:</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
<list list-type="simple">
<list-item>
<p>Stage 2: A quantum isochoric process occurs in: [<inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>]. Throughout this stage, there is a transition in temperature within the system, moving from a hot bath at temperature <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to a cold one with temperature <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is crucial to emphasize that the magnetic coupling constant, <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, remains constant during this particular process. The system does not perform any work; instead, it releases heat, denoted as <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which can be expressed in terms of the variation of the internal energy:</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
<list list-type="simple">
<list-item>
<p>Stage 3: A quantum isothermal compression process is described: [<inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>], where the working substance is in contact with a cold reservoir at a fixed temperature <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The magnetic coupling transitions from <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The amount of heat released in this process, denoted as <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is given by the change in the entropy, <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 2</xref>.</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
<list list-type="simple">
<list-item>
<p>Stage 4: The final step is a quantum isochoric process: [<inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>]. During this fourth stage, the system transitions from the cold reservoir at <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the hot reservoir at <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The mediation of this transition is carried out by the fixed magnetic coupling constant <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The attainment of thermal equilibrium marks the end of the isochoric thermalization process, resulting in a final temperature of <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This particular process involves no work, and the heat absorbed by the working substance (referred to as <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) can be expressed as follows:</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>To assess the impact of quantum entanglement on the energy exchange of the quantum Stirling cycle, we measure the entanglement present in the thermal equilibrium state using the widely recognized Wootters concurrence [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>]. This allows us to evaluate the entanglement of the bipartite system, which is characterized as <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>max</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the eigenvalues of the matrix <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> arranged in descending sequence. Here <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the complex conjugate of <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B53">53</xref>]. In the case of separable states, the parameter <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> equals 0, whereas for Bell states, the parameter <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> equals 1 [<xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>]. From the Hamiltonian model given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>, the concurrence associated with the thermal equilibrium state is determined by the following equation:<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>max</mml:mi>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>sinh</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Therefore, the entanglement at the end of the first stage and the third stage of the quantum Stirling cycle can be represented as <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> respectively, and they can be written as:<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>sinh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>sinh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>To understand how these interconnections affect important thermodynamic properties, we can analyze <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equations 7</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">8</xref>. By using these equations, we can express the magnetic field based on entanglement with an analytical solution given by:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>sinh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>sinh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equations 9</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">10</xref> to the heat exchanged in each step of the Stirling cycle, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equations 3</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e8">6</xref>, we can evaluate the heat absorbed <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the heat released <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">out</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the total work <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">out</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in terms of the entanglement <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, temperatures <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the antisymmetric exchange parameters <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec sec-type="results|discussion" id="s4">
<title>4 Results and discussion</title>
<p>In this section, we will study in detail the impact of the quantum entanglement, temperatures, and antisymmetric exchange parameters on the thermal efficiency of the two-qubit isotropic Heisenberg XYZ model used as a working substance in the quantum Stirling heat engine. The thermodynamic efficiency <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the heat engine operation is characterized by the ratio between the extracted work <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the absorbed heat <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the working substance:<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>Thus, one can examine the influences of DM interaction parameters on the efficiency and plot it as a function of the above-mentioned parameters.</p>
<p>The variation of the efficiency as a function of antisymmetric exchange parameters <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has been presented in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>(Color online) Variation of the efficiency <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the quantum Stirling Cycle, in terms of <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in isoline map with <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.5</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(A)</bold> <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(B)</bold> <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(C)</bold> <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(D)</bold> <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As can be seen, the efficiency of the quantum Stirling Cycle shows significant variations due to changes in antisymmetric exchange parameters (<inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Raising the hot reservoir temperature while keeping these parameters constant significantly impacts efficiency. The efficiency increases notably when the entanglement parameter <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is doubled. However, decreasing the hot reservoir temperature from <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> also enhances efficiency.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-13-1512998-g001.tif"/>
</fig>
<p>The graphical representation demonstrates that variations in the antisymmetric exchange result in discernible fluctuations in the efficiency value. A comparative analysis between <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1A, B</xref> reveal that elevating the temperature of the hot reservoir while maintaining the antisymmetric parameter constant produces a significant impact on the efficiency. The upper limit of <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is contingent upon the specific values of <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. From the comparison of <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1B, C</xref>, it is noticeable that the increase of <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has caused the efficiency to increase significantly. This shows that in the presence of the <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parameter, the increase in the entanglement leads to an enhancement in efficiency.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1D</xref>, we plot a similar figure to <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref> except for <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is evident that the efficiency experiences a noticeable decrease. Upon comparing <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1C, D</xref>, it is observed that the efficiency rises as <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> transitions to <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the alteration in the ratio of the hot bath to the cold bath can result in an efficiency enhancement.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>, we plot the efficiency of the Quantum Stirling heat engine in terms of the ratio between the antisymmetric exchange parameters <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, fixing the parameters <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for different values of temperature (2 a) and <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (2 b), for different values of entanglement. As seen in the plot, the efficiency varies based on the relationship between the parameters <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The figure clearly indicates that efficiency increases as the ratio between the concurrence <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases. Thus, increasing the degree of entanglement in the first stage of the circle leads to an enhancement of the performance of the heat engine.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>(Color online) Efficiency of the quantum Stirling heat engine as a function of <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the parameters <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(A)</bold> <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and different relation between hot bath and cold bath, <bold>(B)</bold> <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and different relation between <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The efficiency varies based on the relationship between the parameters <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is evident that efficiency increases as the ratio between the concurrence <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-13-1512998-g002.tif"/>
</fig>
<p>To validate this improvement and highlight the potential of entangled heat engines to surpass traditional thermodynamic cycles under certain conditions, <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> shows the efficiency <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a quantum Stirling heat engine as a function of the ratio <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under different conditions, compared to the Carnot and Curzon&#x2013;Ahlborn efficiencies [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>]. Comparing these efficiencies benchmarks the quantum Stirling heat engine&#x2019;s performance against established theoretical limits and provides insight into the practical and theoretical benefits of utilizing quantum effects in heat engines. We plot the efficiency <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of this quantum Stirling heat engine as a function of <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.8</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with (a) <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and (b) <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As can be seen, by increasing the ratio of <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the efficiency can surpass the Curzon&#x2013;Ahlborn efficiency and achieve the Carnot limit asymptotically.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>(Color online) Efficiency of the quantum Stirling heat engine as a function of <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is compared with the efficiencies of the Carnot <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and Curzon-Ahlborn <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>] systems with <bold>(A)</bold> <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.8</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(B)</bold> <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-13-1512998-g003.tif"/>
</fig>
<p>Furthermore, in order to compare our results with previous implementations of other quantum cycles [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>], we provide a detailed comparison based on the efficiency as a function of the Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction parameter <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, the solid red line represents the efficiency of our quantum Stirling engine model <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, using the parameters reported in reference [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>], while the data points correspond to the efficiency results <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and their respective upper bounds <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the quantum Otto cycle analyzed by Zhao et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>].</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>(Color online) Comparison of the efficiency of the quantum Stirling heat engine <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (solid red line) and the quantum Otto heat engine <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (black points), and their respective upper bounds <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (brown points), as a function of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction parameter. As it can be seen, the implementation of the Stirling engine shows an increase in efficiency and reaches significantly higher values compared to the Otto engine, approaching the Carnot efficiency (0.5 - dashed black line) for high values of <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, asymptotically.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-13-1512998-g004.tif"/>
</fig>
<p>Our results demonstrate that, given the parameter settings of the reference [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>], the efficiency of the Stirling cycle surpasses the maximum efficiency of the Otto cycle for the observed range of the antisymmetric interaction. As can be seen, while the Otto cycle efficiency gradually increases at larger antisymmetric interaction, as observed from the brown and black data points, the Stirling efficiency exhibits a steeper increase, approaching asymptotically the Carnot efficiency <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for high values of antisymmetric interaction parameter. Therefore, the comparison highlights the distinct advantage of the Stirling cycle in leveraging the antisymmetric exchange interaction to enhance thermodynamic performance. Unlike the Otto cycle, where the efficiency improvement is constrained by the specific interaction dynamics and the heat exchange mechanisms, the Stirling cycle allows more effective utilization of the quantum resources introduced by the DM interaction.</p>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s5">
<title>5 Conclusion</title>
<p>In this letter, we study a four-level entangled quantum Stirling heat engine using a working substance composed of a two-particle Heisenberg model with Dzyaloshinskii-Moriya interaction under an external magnetic field. The effect of the antisymmetric interaction on the engine&#x2019;s efficiency is studied by changing the coupling parameters and the degree of entanglement in the first and third steps of the cycle. Our findings indicate that optimizing the parameters associated with this interaction can lead to substantial improvements in efficiency, surpassing the value of Curzon&#x2013;Ahlborn efficiency and reaching asymptotically the Carnot limit. These results highlight the potential for achieving higher performance levels in quantum heat engines exploring antisymmetric aspects of spin systems. Furthermore, our research suggests that fine-tuning the entanglement level in conjunction with the coupling parameters can result in even greater enhancements in efficiency. This demonstrates the intricate relationship between quantum effects and thermodynamic performance in spin-based systems.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s6">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding authors.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s7">
<title>Author contributions</title>
<p>HR-S: Writing&#x2013;original draft, Writing&#x2013;review and editing. CC: Writing&#x2013;original draft, Writing&#x2013;review and editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s8">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research, authorship, and/or publication of this article. C. Cruz thanks the Funda&#xe7;&#xe3;o de Amparo &#xe0; Pesquisa do Estado da Bahia - FAPESB for its financial support (grant numbers APP0041/2023 and PPP006/2024).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s9">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="ai-statement" id="s10">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The author(s) declare that no Generative AI was used in the creation of this manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s11">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Myers</surname>
<given-names>NM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abah</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deffner</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>, <article-title>Quantum thermodynamic devices: from theoretical proposals to experimental reality</article-title>. <source>AVS Quantum Sci</source> (<year>2022</year>) <volume>4</volume>:<fpage>027101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1116/5.0083192</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ptaszynski</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Non-Markovian thermal operations boosting the performance of quantum heat engines</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2022</year>) <volume>106</volume>:<fpage>014114</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.106.014114</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>xiang Deng</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ai</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shao</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cui</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Exploring the optimal cycle for a quantum heat engine using reinforcement learning</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2024</year>) <volume>109</volume>:<fpage>022246</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.109.022246</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Acharyya</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chakrabarti</surname>
<given-names>BK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Ising heat engines: a mean field study</article-title>. <source>The Eur Phys J B</source> (<year>2024</year>) <volume>97</volume>:<fpage>45</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjb/s10051-024-00681-9</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rastegar-Sedehi</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cruz</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Exploring entanglement effects in a quantum stirling heat engine</article-title>. <source>Physica Scripta</source> (<year>2024</year>) <volume>99</volume>:<fpage>125936</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1402-4896/ad8d8e</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Altintas</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Comparison of the coupled quantum Carnot and Otto cycles</article-title>. <source>Physica A: Stat Mech its Appl</source> (<year>2019</year>) <volume>523</volume>:<fpage>40</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2019.01.144</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Peterson</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Batalh&#xe3;o</surname>
<given-names>TB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Herrera</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Souza</surname>
<given-names>AM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sarthour</surname>
<given-names>RS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Oliveira</surname>
<given-names>IS</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Experimental characterization of a spin quantum heat engine</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2019</year>) <volume>123</volume>:<fpage>240601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.123.240601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>&#xc7;akmak</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Benchmarking quantum Stirling and Otto cycles for an interacting spinsystem</article-title>. <source>J Opt Soc America B</source> (<year>2022</year>) <volume>39</volume>:<fpage>1209</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/josab.447206</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pili</surname>
<given-names>AHB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khordad</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sedehi</surname>
<given-names>HRR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Stirling heat engine in two-coupled-qubit Heisenberg XYZ model</article-title>. <source>Eur Phys J Plus</source> (<year>2023</year>) <volume>138</volume>:<fpage>871</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/s13360-023-04516-x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pili</surname>
<given-names>AHB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khordad</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sedehi</surname>
<given-names>HRR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sharifzadeh</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Influences of homogeneous and inhomogeneous magnetic fields on the performance of a quantum Stirling heat engine</article-title>. <source>Physica B: Condensed Matter</source> (<year>2024</year>) <volume>678</volume>:<fpage>415748</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physb.2024.415748</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rojas</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rojas</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum machines using Cu<sub>3</sub>-like compounds modeled by Heisenberg antiferromagnetic in a triangular ring</article-title>. <source>arXiv preprint arXiv:2406.01340</source> (<year>2024</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2406.01340</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feldmann</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kosloff</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Characteristics of the limit cycle of a reciprocating quantum heat engine</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2004</year>) <volume>70</volume>:<fpage>046110</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.70.046110</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rezek</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kosloff</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Irreversible performance of a quantum harmonic heat engine</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2006</year>) <volume>8</volume>:<fpage>83</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/8/5/083</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Altintas</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hardal</surname>
<given-names>A&#xdc;C</given-names>
</name>
<name>
<surname>M&#xfc;stecapl&#x131;oglu</surname>
<given-names>&#xd6;E</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2014</year>) <volume>90</volume>:<fpage>032102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.90.032102</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Insinga</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Andresen</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salamon</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamical analysis of a quantum heat engine based on harmonic oscillators</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2016</year>) <volume>94</volume>:<fpage>012119</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.94.012119</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lin</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Performance analysis of an irreversible quantum heat engine working with harmonic oscillators</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2003</year>) <volume>67</volume>:<fpage>046105</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.67.046105</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kosloff</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rezek</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The quantum harmonic Otto cycle</article-title>. <source>Entropy</source> (<year>2017</year>) <volume>19</volume>:<fpage>136</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/e19040136</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niu</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A special entangled quantum heat engine based on the two-qubit Heisenberg <italic>XX</italic> model</article-title>. <source>Physica Scripta</source> (<year>2013</year>) <volume>88</volume>:<fpage>065008</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0031-8949/88/06/065008</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stefanatos</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optimal efficiency of a noisy quantum heat engine</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2014</year>) <volume>90</volume>:<fpage>012119</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.90.012119</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>XL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yi</surname>
<given-names>XX</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Brayton cycle with coupled systems as working substance</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2013</year>) <volume>87</volume>:<fpage>012144</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.87.012144</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Khlifi</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Allati</surname>
<given-names>AE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salah</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hassouni</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum heat engine based on spin isotropic Heisenberg models with Dzyaloshinskii&#x2013;Moriya interaction</article-title>. <source>Int J Mod Phys B</source> (<year>2020</year>) <volume>34</volume>:<fpage>2050212</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0217979220502124</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Exergy-based ecological optimization of an irreversible quantum Carnot heat pump with harmonic oscillators</article-title>. <source>Physica A: Stat Mech its Appl</source> (<year>2020</year>) <volume>537</volume>:<fpage>122597</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2019.122597</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>&#xc7;akmak</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A feasible quantum heat engine driven by dipole-dipole interaction</article-title>. <source>Phys Lett A</source> (<year>2022</year>) <volume>422</volume>:<fpage>127796</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physleta.2021.127796</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Khedif</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Errehymy</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Daoud</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>On the thermal nonclassical correlations in a two-spin XYZ Heisenberg model with Dzyaloshinskii&#x2013;Moriya interaction</article-title>. <source>Eur Phys J Plus</source> (<year>2021</year>) <volume>136</volume>:<fpage>336</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/s13360-021-01254-w</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Otto heat engine with three-qubit XXZ model as working substance</article-title>. <source>Physica A: Stat Mech Appl</source> (<year>2018</year>) <volume>491</volume>:<fpage>604</fpage>&#x2013;<lpage>12</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2017.09.104</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Purkait</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Biswas</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Performance of Heisenberg-coupled spins as quantum Stirling heat machine near quantum critical point</article-title>. <source>Physica A: Stat Mech Appl</source> (<year>2022</year>) <volume>442</volume>:<fpage>128180</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physleta.2022.128180</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>L-M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>G-F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Entangled quantum Otto heat engines based on two-spin systems with the Dzyaloshinski&#x2013;Moriya interaction</article-title>. <source>Quan Inf Process</source> (<year>2017</year>) <volume>16</volume>:<fpage>216</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11128-017-1665-0</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Camati</surname>
<given-names>PA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Santos</surname>
<given-names>JFG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Serra</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Coherence effects in the performance of the quantum Otto heat engine</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2018</year>) <volume>99</volume>:<fpage>062103</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.99.062103</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Brandner</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bauer</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Universal coherence-induced power losses of quantum heat engines in linear response</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2017</year>) <volume>119</volume>(<issue>17</issue>):<fpage>170602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.119.170602</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dorfman</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficiency at maximum power of a laser quantum heat engine enhanced by noise-induced coherence</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2018</year>) <volume>97</volume>(<issue>4-1</issue>):<fpage>042120</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.97.042120</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rahav</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Harbola</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mukamel</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Heat fluctuations and coherences in a quantum heat engine</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2012</year>) <volume>86</volume>:<fpage>043843</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.86.043843</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>Y-H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>H-L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>X-H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>W-L</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Quantum coherence in a quantum heat engine</article-title>. <source>J Phys A: Math Theor</source> (<year>2019</year>) <volume>53</volume>:<fpage>085301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1751-8121/ab6a6b</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Aimet</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kwon</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Engineering a heat engine purely driven by quantum coherence</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2022</year>) <volume>107</volume>:<fpage>012221</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.107.012221</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Thomas</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johal</surname>
<given-names>RS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Coupled quantum Otto cycle</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2011</year>) <volume>83</volume>:<fpage>031135</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.83.031135</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>Y-H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Su</surname>
<given-names>S-H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>C-P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum thermodynamic cycle with quantum phase transition</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2017</year>) <volume>96</volume>:<fpage>022143</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.96.022143</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Serafini</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zippilli</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marzoli</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optomechanical Stirling heat engine driven by feedback-controlled light</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2020</year>) <volume>102</volume>:<fpage>053502</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.102.053502</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yin</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Performance of quantum Stirling heat engine with numerous copies of extreme relativistic particles confined in 1D potential well</article-title>. <source>Physica A: Stat Mech its Appl</source> (<year>2018</year>) <volume>503</volume>:<fpage>58</fpage>&#x2013;<lpage>70</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2018.02.202</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gupt</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bhattacharyya</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ghosh</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Statistical generalization of regenerative bosonic and fermionic Stirling cycles</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2021</year>) <volume>104</volume>:<fpage>054130</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.104.054130</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Asadian</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ahadpour</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mirmasoudi</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum correlated heat engine in XY chain with Dzyaloshinskii&#x2013;Moriya interactions</article-title>. <source>Scientific Rep</source> (<year>2022</year>) <volume>12</volume>:<fpage>7081</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-022-11146-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cruz</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rastegar-Sedehi</surname>
<given-names>H-R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anka</surname>
<given-names>MF</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Oliveira</surname>
<given-names>TR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reis</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum science and technology</article-title>, <volume>8</volume> (<year>2023</year>).<fpage>035010</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cruz</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alves</surname>
<given-names>&#xc1;</given-names>
</name>
<name>
<surname>dos Santos</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Soares-Pinto</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Jesus</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Almeida</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Influence of the external pressure on the quantum correlations of molecular magnets</article-title>. <source>Europhysics Lett</source> (<year>2017</year>) <volume>117</volume>:<fpage>20004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/117/20004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Myers</surname>
<given-names>NM</given-names>
</name>
<name>
<surname>McCready</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deffner</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum heat engines with singular interactions</article-title>. <source>Symmetry</source> (<year>2021</year>) <volume>13</volume>:<fpage>978</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/sym13060978</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sur</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ghosh</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum advantage of thermal machines with bose and fermi gases</article-title>. <source>Entropy</source> (<year>2023</year>) <volume>25</volume>:<fpage>372</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/e25020372</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Singh</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optimal operation of a three-level quantum heat engine and universal nature of efficiency</article-title>. <source>Phys Rev Res</source> (<year>2020</year>) <volume>2</volume>:<fpage>043187</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PHYSREVRESEARCH.2.043187</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>H-G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jin</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Neto</surname>
<given-names>GDM</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Almeida</surname>
<given-names>NG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Universal quantum Otto heat machine based on the Dicke model</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2024</year>) <volume>109</volume>:<fpage>014122</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.109.014122</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ono</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shevchenko</surname>
<given-names>SN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mori</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moriyama</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nori</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Analog of a quantum heat engine using a single-spin qubit</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2020</year>) <volume>125 16</volume>:<fpage>166802</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.125.166802</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<label>47.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>de Assis</surname>
<given-names>RJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sales</surname>
<given-names>JS</given-names>
</name>
<name>
<surname>da Cunha</surname>
<given-names>JAR</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Almeida</surname>
<given-names>NG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Universal two-level quantum Otto machine under a squeezed reservoir</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2020</year>) <volume>102</volume>:<fpage>052131</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.102.052131</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B48">
<label>48.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chatterjee</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Koner</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chatterjee</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kumar</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Temperature-dependent maximization of work and efficiency in a degeneracy-assisted quantum Stirling heat engine</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2021</year>) <volume>103</volume>:<fpage>062109</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.103.062109</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B49">
<label>49.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Solfanelli</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Falsetti</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Campisi</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nonadiabatic single-qubit quantum Otto engine</article-title>. <source>Phys Rev B</source> (<year>2020</year>) <volume>101</volume>:<fpage>054513</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevb.101.054513</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B50">
<label>50.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wootters</surname>
<given-names>WK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Entanglement of formation of an arbitrary state of two qubits</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>1998</year>) <volume>80</volume>:<fpage>2245</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.80.2245</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B51">
<label>51.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hill</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wootters</surname>
<given-names>WK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Entanglement of a pair of quantum bits</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>1997</year>) <volume>78</volume>:<fpage>5022</fpage>&#x2013;<lpage>5</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.78.5022</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B52">
<label>52.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Horodecki</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horodecki</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horodecki</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horodecki</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum entanglement</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2009</year>) <volume>81</volume>:<fpage>865</fpage>&#x2013;<lpage>942</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.81.865</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B53">
<label>53.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cruz</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Soares-Pinto</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brandao</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>dos Santos</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reis</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Carboxylate-based molecular magnet: one path toward achieving stable quantum correlations at room temperature</article-title>. <source>Europhysics Lett</source> (<year>2016</year>) <volume>113</volume>:<fpage>40004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/113/40004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B54">
<label>54.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Curzon</surname>
<given-names>FL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ahlborn</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficiency of a Carnot engine at maximum power output</article-title>. <source>Am J Phys</source> (<year>1975</year>) <volume>43</volume>:<fpage>22</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1119/1.10023</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>