Single-atom quantum heat engine based on electromagnetically induced transparency

热机 物理 光子 电磁感应透明 量子光学 半经典物理学 量子 量子力学 原子物理学 热力学
作者
Jia-Yang Ma,H. Z. Shen,Xiaojun Zhang,Jin‐Hui Wu
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:109 (1) 被引量:5
标识
DOI:10.1103/physreva.109.012207
摘要

The single-atom version of the quantum heat engine based on electromagnetically induced transparency is theoretically investigated in this paper. In contact with a hot and a cold bath, the atom trapped in an optical cavity is coherently coupled by a coherent field, thus generating photons as output through a process that mimics a heat engine. Using semiclassical theory, we obtain the conditions for the classical gain parameter being positive. Then by taking a full quantum approach, we discuss the statistical property of the generated photons depicted by the photon number distribution and Wigner function, and show that it can be effectively tuned by the coupling field. Investigations on the energy and entropy balances of the heat engine process lead to an interesting result that the power of the engine is simply the energy per time provided by the hot reservoir. The coupling field plays a critical role in supporting the heat-engine process. However, the energy that it provides is all dumped into the cold reservoir. The total energy exchange conforms to the first law of thermodynamics. The efficiency of the engine depends on the temperatures of the two reservoirs and the strength of the coupling field. The entropy change of the heat-engine process suggests that when working far above the threshold of lasing, the efficiency approaches that of its atomic-ensemble-based partner.
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