原子蒸气流体的热梯度冷却

在原子系综中追求高光学深度和长相干时间面临一个基本的热力学约束：加热通过增加密度增强了光与原子耦合，但通过热展宽降低了相干性，而激光冷却则以密度损失为代价保持了相干性。在此，我们展示了一种非平衡策略，通过受控的热梯度输运在空间上实现密度与温度之间的负相关。通过在热蒸气池中利用激光冷却构建温度梯度，我们驱动了一种对流原子流体，该流体在边界处排出热原子，同时将低温原子限制在中心区域。这一动态过程在中心维持了 $10^{22}\text{m}^{-3}$ 的密度和数十开尔文的温度。我们建立了一个基于玻尔兹曼型输运方程的理论方案，该方案给出了非平衡热梯度原子流体的纳维-斯托克斯方程。数值模拟结果表明，该方案可以在降低系统温度的同时提高光学深度，为在室温原子-光相互作用中绕过平衡热力学建立了一条途径，从而推动高性能量子计量学和量子信息应用。