多能级与多体量子热机的性能极限

我们提出了基于 $N$ 能级系统（工作介质）的量子热机的一般理论，其 $N-1$ 个激发能级是简并的，这是稳态能级间相干的先决条件。我们的目标是查明：工作介质中的相干性在多大程度上是热机的优势？此类机器的性能界限对于由连续冲程组成的（往复）循环以及周期性驱动系统持续耦合于冷热源的连续循环是共同的。有趣的是，我们发现机器性能强烈依赖于系统中跃迁偶极矢量的相对取向。完全对齐（平行）的跃迁偶极允许稳态相干效应，但也会产生暗态，阻碍稳态热化从而降低机器性能。类似的热力学性质适用于符合迪克模型的 $N$ 个两能级原子。我们得出结论：能级简并（而不一定是相干）是一种热力学资源，同等增强热机的热流和功率输出。相比之下，效率不受此简并影响，并遵循卡诺界限。