光学腔中原子自组织的热力学与动力学

高精细度光学谐振腔中原子的图样形成源于与超辐射散射进入腔模式相关的光的机械力。它发生在激光强度超过阈值时，使得泵浦过程抵消损耗。我们考虑由激光驱动并与驻波腔模式耦合的原子，并用Fokker-Planck方程描述其动力学，其中原子运动是半经典的，但腔场是完全量子的变量。原子的渐近状态是热态，其温度仅由激光与腔频率之间的失谐以及腔损耗率控制。由此结果我们推导出自由能，并证明在热力学极限下自组织是二阶相变。序参量是谐振腔内的场，可以类似于铁磁性为其关联一个磁化强度，控制场是激光强度，然而稳态本质上是非平衡的。在对称性破缺相中，量子噪声诱导空间密度在两个有序图样之间跳跃：我们表征了稳态下这种时间行为的统计性质，并表明系统的热力学性质可以通过探测腔输出端的光来提取。我们的分析结果与先前的研究完全一致，通过推导出即使在腔场处于散粒噪声极限下也有效的自洽理论对其进行了扩展，并阐明了自组织相变的本质。