論文の概要: Quantum Control of Thermal Emission from Photonic Crystals with Two-Level Atoms
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.11191v1
- Date: Fri, 15 Aug 2025 03:56:37 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-08-18 14:51:23.733106
- Title: Quantum Control of Thermal Emission from Photonic Crystals with Two-Level Atoms
- Title（参考訳）: 二層原子によるフォトニック結晶の熱放射の量子制御
- Authors: Chih-Wei Wang, Jhih-Sheng Wu,
- Abstract要約: 活性媒質として2レベル原子を持つ1次元フォトニック結晶における量子光-マター相互作用について検討した。
量子二レベル系のモデルでは、自然放出、励起吸収、励起放出のプロセスが可能である。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Thermal light engineering is a field of considerable interest and potential. We study quantum light-matter interactions in a one-dimensional photonic crystal with two-level atoms as the active medium, replacing classical oscillators in traditional blackbody models. In a thermal bath with pumping, these atoms modulate thermal emission via interactions with photonic modes. The model with quantum two-level systems enables the processes of spontaneous emission, stimulated absorption, and stimulated emission. Equilibrium and nonequilibrium regimes depend on competition between pumping and thermal relaxation rates. Strong light-matter interaction and photon decay govern dynamics and steady states. In equilibrium, with a high thermal relaxation rate, photon numbers are initially determined by spontaneous emission and later stabilize due to stimulated absorption, influenced by light-matter interaction strength. In-band-gap photons reach steady states at a time scale of one or two orders of magnitude longer than outside-band-gap photons. Interestingly, for a strong light-matter interaction, all photons in the equilibrium regimes show Planckian radiation, regardless of their frequencies in or out of the band gaps. Band-gap suppression of thermal emission is more pronounced with weaker light-matter interaction or larger photon decay. In the nonequilibrium regime, the dynamics of photon numbers exhibit a multi-time-scale process transitioning to steady states due to strong pumping and stimulated processes. Steady-state electron populations of two-level atoms deviate from the Fermi-Dirac distribution, and the steady-state photon numbers exhibit super-Planckian emission. These findings enable quantum control of thermal emission spectra, which is relevant for reducing thermal noise in quantum computing or enhancing radiative cooling.
- Abstract（参考訳）: 熱光工学は、かなりの関心と可能性の分野である。
従来の黒体モデルでは古典的な振動子の代わりに、2レベル原子を活性媒として1次元フォトニック結晶中の量子光-物質相互作用を研究する。
励起を伴う熱浴では、これらの原子はフォトニックモードと相互作用して熱放射を変調する。
量子二レベル系のモデルでは、自然放出、励起吸収、励起放出のプロセスが可能である。
平衡状態と非平衡状態は、ポンプと熱緩和速度の競合に依存する。
強い光-物質相互作用と光子崩壊は動力学と定常状態を支配する。
平衡では、熱緩和率の高い光子数は、最初に自然放出によって決定され、その後、光-物質相互作用強度の影響を受けて、励起吸収によって安定化される。
インバンドギャップ光子は、外部バンドギャップ光子よりも1〜2桁長い時間スケールで定常状態に達する。
興味深いことに、強い光-物質相互作用のために、平衡状態にある全ての光子は、バンドギャップの内外における周波数に関係なくプランク放射を示す。
熱放射のバンドギャップ抑制は、より弱い光-物質相互作用やより大きな光子崩壊によってより顕著になる。
非平衡状態においては、光子数の動力学は、強い励起と刺激過程により、定常状態に遷移する多段階的な過程を示す。
2レベル原子の定常電子集団はフェルミ・ディラック分布から逸脱し、定常光子数は超プランク電子放出を示す。
これらの発見により、熱放射スペクトルの量子制御が可能となり、量子コンピューティングにおける熱ノイズの低減や放射冷却の強化に寄与する。
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