处于热平衡稳态环境之外的量子系统

我们讨论了当基本量子系统被置于热平衡之外的环境中时，其热化过程如何被修正。为此，我们详细研究了放置在具有任意几何形状和介电常数的物体附近的原子系统的动力学，该物体的温度 $T_M$ 不同于周围壁面的温度 $T_W$。我们首先推导了 $N$ 能级原子一般情形的合适主方程，然后将其特化到二能级和三能级原子情形。跃迁速率和稳态被显式地表示为物体散射矩阵的函数，并且在定性和定量上均不同于热平衡辐射的情形。在非平衡状态下，系统的稳态取决于系统与物体之间的距离、物体的几何形状以及所有这些参数与物体光学共振之间的相互作用。虽然二能级原子趋向于热态，但在存在三个原子能级时情况已不再如此。这种特殊行为可以被利用，例如，用来反转粒子数排序并为量子系统的内部态提供有效的冷却机制。最后，我们提供了物体为有限厚度平板时的数值研究和渐近表达式。我们的预测对于涉及二能级或三能级系统不同物理实现的广泛非热平衡实验构型具有相关意义。