<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Quantum Sci. Technol.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Quantum Science and Technology</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Quantum Sci. Technol.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2813-2181</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1535581</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/frqst.2025.1535581</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Quantum Science and Technology</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Cooling strongly self-organized particles using adiabatic demagnetization</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">J&#xe4;ger</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/frqst.2025.1535581">10.3389/frqst.2025.1535581</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>J&#xe4;ger</surname>
<given-names>Simon B.</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn1">
<sup>&#x2020;</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2905547/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>
<institution>Physikalisches Institut</institution>, <institution>University of Bonn</institution>, <addr-line>Bonn</addr-line>, <country>Germany</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2001007/overview">Jorge Yago Malo</ext-link>, University of Pisa, Italy</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1651600/overview">Pietro Lombardi</ext-link>, National Research Council (CNR), Italy</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2963622/overview">Tomohiro Hashizume</ext-link>, University of Hamburg, Germany</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Simon B. J&#xe4;ger, <email>sjaeger2@uni-bonn.de</email>
</corresp>
<fn fn-type="other" id="fn1">
<label>
<sup>&#x2020;</sup>
</label>
<p>ORCID: Simon B. J&#xe4;ger, <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://orcid.org/0000-0002-2585-5246">orcid.org/0000-0002-2585-5246</ext-link>
</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>19</day>
<month>06</month>
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2025</year>
</pub-date>
<volume>4</volume>
<elocation-id>1535581</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>27</day>
<month>11</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>08</day>
<month>05</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2025 J&#xe4;ger.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>J&#xe4;ger</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>This study examines the dynamics of polarizable particles, coupled to a lossy cavity mode, that are transversally driven by a laser. The analysis is performed in a regime where the cavity linewidth exceeds the recoil frequency by several orders of magnitude. Using a two-stage cooling protocol, we show that the particles&#x2019; kinetic energy can be reduced to the recoil energy. This cooling protocol relies in its first stage on a high laser power such that the particles cool into a strongly self-organized pattern. This can be seen as a strongly magnetized state. In a second stage, we adiabatically ramp down the laser intensity such that the particles&#x2019; kinetic energy is transferred to their potential energy and the particles are &#x201c;demagnetized&#x201d;. In this second stage, we optimize the ramping speed, which needs to be fast enough to avoid unwanted heating and slow enough such that the dynamics remains approximately adiabatic.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>adiabatic demagnetization</kwd>
<kwd>cavity QED</kwd>
<kwd>semiclassical dynamic simulation</kwd>
<kwd>self-organization</kwd>
<kwd>stochastic differential equation</kwd>
<kwd>cavity cooling</kwd>
</kwd-group>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Quantum Information Theory</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>The realization of quantum technologies (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Ladd et al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B1">Ac&#xed;n et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Barzanjeh et al., 2022</xref>) based on polarizable particles such as atoms, ions, molecules, and nanoparticles relies on the precise control of their motional degrees of freedom. One important step for achieving full control of these particles is to reduce their residual motion. A key technique to achieve this is laser cooling (<xref ref-type="bibr" rid="B41">Wineland and Itano, 1979</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Chu, 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B40">Wieman et al., 1999</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B9">Cohen-Tannoudji, 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">Phillips, 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">Stenholm, 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Metcalf and Van der Straten, 1999</xref>), which can be used to achieve temperatures that leave particles close to their zero-point motion. The basic principle behind laser cooling is the enhanced absorption rate of laser photons that lower the particle&#x2019;s momentum. Subsequently, incoherent scattering of a photon from the particle into free space results in lower kinetic energy of the particle. Despite the great success of laser cooling, one major problem is that it typically relies on closed transitions and the atomic species at hand. This hinders the universal application of conventional laser cooling techniques to more complex systems such as molecules or nanoparticles.</p>
<p>A good candidate for overcoming this problem is cavity cooling, where a particles&#x2019; motion is cooled by coherent scattering of laser photons (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Horak et al., 1997</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Vuleti&#x107; and Chu, 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Domokos et al., 2001</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B13">Domokos and Ritsch, 2002</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B7">Black et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Maunz et al., 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B25">Morigi et al., 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Schleier-Smith et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B42">Wolke et al., 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Hosseini et al., 2017</xref>). Here, the particles&#x2019; kinetic energy is carried away by the scattered cavity photons while the internal state of the particles&#x2019; remain almost unaltered. The simplest form of cavity cooling requires driving with a laser frequency that is red-detuned with respect to the cavity resonance. That way the cavity promotes the emission of blue-shifted photons which leaves the atoms in average at lower energy. In such a setup the minimum temperature is typically bounded by the linewidth of the cavity (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Domokos et al., 2001</xref>). Cavity cooling of single atoms (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Maunz et al., 2004</xref>) and collective cooling (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Black et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Hosseini et al., 2017</xref>) have been realized in experimental labs. Since cavity cooling does not rely on incoherent scattering from a specific internal state, it is has been proposed for cooling molecules (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Morigi et al., 2007</xref>) and experimentally realized for cooling nanoparticles (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Asenbaum et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Deli&#x107; et al., 2019</xref>). Although sub-recoil cooling has been achieved experimentally (<xref ref-type="bibr" rid="B42">Wolke et al., 2012</xref>) in an optical cavity with very narrow linewidth, the limit set by the cavity linewidth usually lies well above the recoil limit.</p>
<p>This paper investigates a situation where the cavity linewidth is orders of magnitude larger than the recoil frequency, which is, for instance, the case for the experiment described in <xref ref-type="bibr" rid="B17">Hosseini et al. (2017)</xref> but also in several other experiments. We demonstrate that it is theoretically possible to achieve temperatures that are of the order of a single recoil by using a combination of cavity cooling and adiabatic control of optomechanical forces. The key ingredient is that the scattered photons, besides cooling, also mediate collective interactions which allow the particles to self-organize (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Domokos and Ritsch, 2002</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">Asb&#xf3;th et al., 2005</xref>). Self-organization occurs if the driving-laser power exceeds a threshold determined by the cavity parameters and the temperature of the particles. Here, the particles spontaneously form a pattern with a spacing that is determined by the wavelength of the light and allows for the constructive interference of scattered photons. Atomic self-organization has been observed with ultra-cold bosons (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Baumann et al., 2010</xref>), thermal atoms (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Arnold et al., 2012</xref>), and ultra-cold fermions (<xref ref-type="bibr" rid="B43">Wu et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Helson et al., 2023</xref>). The formation of a self-organized pattern can be described as a ferromagnetic phase of a long-range interacting system where the collectively scattered light field can be understood as a parameter that measures the magnetization of the atomic ensemble (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Sch&#xfc;tz et al., 2015</xref>).</p>
<p>This study aims to present a protocol which can lower the kinetic energy of polarizable particles close to the recoil limit, even if the cavity linewidth is orders of magnitude wider. It thus proposes a two-stage cooling protocol that uses both cavity cooling and self-organization to bring the particles to a final kinetic energy that is of the order of the recoil energy. The first stage uses collective cavity cooling of many particles with high laser power. The final temperature of the particles is here mostly determined by the cavity linewidth while the particles form a strongly self-organized (magnetized) pattern (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1a</xref>). For these parameters, while the atoms possess a rather high kinetic energy, they are tightly confined in space in a pattern which supports constructive interference of scattered laser photons. In the second stage, laser power is slowly decreased such that the magnetization of the particles is adiabatically decreased (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1c</xref>). Like the magnetocaloric effect and the principle of adiabatic demagnetization (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Tishin and Spichkin, 2003</xref>), this results in a decrease of the magnetization of the particles and simultaneously lowers their kinetic energy (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1d</xref>). In contrast, however, we do not ramp an external magnetic field but the laser driving amplitude which effectively reduces the particle&#x2013;particle interactions. This principle is also related to so-called release&#x2013;retrap or adiabatic trap relaxation protocols which are common in optical lattices and are used to achieve low temperatures and high phase-space densities (<xref ref-type="bibr" rid="B11">DePue et al., 1999</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B18">Hu et al., 2017</xref>). In such protocols, the particles are cooled in tightly confined trapping potentials while a subsequent adiabatic trap relaxation lowers kinetic energy even further. In contrast, however, the demagnetization presented here is of a collective nature and comes from strong cavity-mediated atom&#x2013;atom interactions instead of deep laser trapping. This is important, since it allows us to perform the demagnetization fast enough such that cavity shot noise does not significantly heat the system while decreasing the driving-laser power. At the end of this ramp, particles reach a final temperature that can be orders of magnitude lower than that of conventional cavity cooling while the particles reach a spatially homogeneous state (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1b</xref>).</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Particles are transversally driven by a laser with Rabi frequency <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> while dissipation of cavity photons is modeled by <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <bold>(a)</bold> State of the particles after the first stage: the kinetic energy is determined by the cavity linewidth and the particles form a strongly self-organized pattern. <bold>(b)</bold> State of the particles after the second stage: kinetic energy is smaller while they are distributed homogeneously in space. The position distribution <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>pos</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(c)</bold> as function of <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in units of <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the momentum distribution <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mom</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(d)</bold> as a function of <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in units of <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and as functions of time <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in units of <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the second stage. Magnetization, determined by the localization of the particles around <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, decreases adiabatically while kinetic energy also decreases.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frqst-04-1535581-g001.tif"/>
</fig>
<p>This paper is structured as follows. <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> introduces the semiclassical equations that are used to simulate the system. Furthermore, we show analytical predictions for final kinetic energy following an adiabatic ramp. In <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, we analyze the effects of dissipation and show the actual proposed cooling protocol. Conclusions are drawn in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, and <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Appendix A</xref> provides details of the calculations in <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Physical setup</title>
<p>We consider a setup of <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> transversally driven polarizable particles with mass <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> inside a single-mode cavity. The particles are driven far off-resonant with detuning <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between laser frequency <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and transition frequency <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that spontaneous emission and the population of the excited state can be neglected. The laser light is thus coherently scattered with rate <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by the particles into the cavity. Here, <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Rabi frequency of the driving-laser field and <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the vacuum Rabi frequency of the cavity. We assume that the coupling between the particles and the cavity is proportional to the mode function <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> where <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the wave number of the cavity mode. The laser frequency is red-detuned to the frequency <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the single resonator mode with detuning <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Furthermore, the cavity mode loses photons at rate <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In what follows, we discard effects of the dynamical stark shift <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is possible if <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are much larger than <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Semiclassical description</title>
<p>We now present a semiclassical description of the particles&#x2019; center of mass motion and the cavity field. The coupled equations for the motion of the particles with position <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and momentum <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the real and imaginary part of the cavity field <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> evolve according to the following stochastic differential equations (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Domokos et al., 2001</xref>)<disp-formula id="e1a">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e1b">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e1c">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e1d">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1d)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>and <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The noise terms <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> have vanishing first moments, <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while the second moments fulfill <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. Furthermore, the order parameter or magnetization <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined by<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Equations 1a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1b">b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1c">c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1d">and d</xref> describe the driven-dissipative dynamics of the particles that couple to a dissipative cavity mode.</p>
<p>To better understand the forces that are mediated by the cavity, it is useful to eliminate the cavity degrees of freedom from the dynamics. Here, we work in the limit where <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the recoil frequency. This implies that the cavity degrees evolve much faster and can be adiabatically eliminated (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Sch&#xfc;tz et al., 2013</xref>). Here, <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Doppler-width and <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the single-particle momentum width. Working in this regime allows us to simplify <xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Equations 1a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1b">b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1c">c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1d">and d</xref> by calculating the adiabatic stationary state of the cavity field. This is done by formally integrating the differential equations for <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The adiabatic solution is given by<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Using this result in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Equations 1a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1b">b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1c">c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1d">and d</xref> results in<disp-formula id="e5a">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5b">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>with<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>We emphasize that <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is positive since we assumed <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which allows for self-organization and cavity cooling (<xref ref-type="bibr" rid="B3">Asb&#xf3;th et al., 2005</xref>). The dynamics given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equation 5a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">b</xref> can be rewritten using an effective Hamiltonian<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>with <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The term <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a long-range interaction potential which tries to maximize the value of <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The latter is the order parameter or magnetization and is used to distinguish between the self-organized and the spatially homogeneous phase. In this context, the values of <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be seen as a continuous magnetization for each atom which takes values between <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the spatially homogeneous or paramagnetic phase, <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> takes random values between <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the self-organized or ferromagnetic phase, the particles form a pattern with a periodicity that is determined by the wavelength <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, meaning that the individual spins fulfil either all <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or all <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In an experiment, the magnetization can be detected from the cavity output. This can be seen by finding the stationary state of <xref ref-type="disp-formula" rid="e1c">Equations 1c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1d">d</xref> that can be used to calculate the intra-cavity photon number<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="&#x27e8;" close="&#x27e9;">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>where we used <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Equations 3</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref> and the average runs over different initializations and trajectories.</p>
<p>After adiabatic elimination of the cavity degrees of freedom, we derived a dynamical description from a classical Hamiltonian. This implies that <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equations 5a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">b</xref> conserve the mean energy <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for a time-independent interaction strength <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The description by means of Hamiltonian dynamics is, however, only true on a timescale where dissipative effects can be discarded (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Sch&#xfc;tz et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Sch&#xfc;tz et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">Sch&#xfc;tz and Morigi, 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">J&#xe4;ger et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B33">Sch&#xfc;tz et al., 2016</xref>).</p>
<p>In the following, we are interested in changing <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> very slowly such that the particles evolve mainly adiabatically but do so sufficiently fast such that dissipative effects are negligible.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Adiabatic ramp of the interaction strength</title>
<p>We assume that the distribution function of the particles is given by a thermal state which can be seen as the stationary state of the system reached after sufficiently long times. This state is given by<disp-formula id="equ4">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>with single-particle kinetic energy<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>and partition function <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Note that <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are explicitly time-dependent. The expectation value is here defined by <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with integrals <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and for an arbitrary function <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the atomic positions and momenta.</p>
<p>We assume a time dependent <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and, in particular, that the temporal change of <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is sufficiently slow such that the particles remain in a thermal state. With this assumption, a dynamical equation for the kinetic energy can be derived in the following.</p>
<p>Using <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equations 5a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">b</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref>, we obtain the dynamical evolution of the single-particle kinetic energy<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Furthermore, we may write<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>with<disp-formula id="equ5">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Then, using <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we can rewrite <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref> as<disp-formula id="equ6">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>and the integration of this equation leads to<disp-formula id="equ7">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The latter can be solved using integration by parts to obtain<disp-formula id="equ8">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>using the notation <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Defining <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and performing the limit <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> we obtain the result<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>th modified Bessel function and <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> describes the stable solution of the equation<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>See <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Appendix A</xref> for a detailed derivation. The value for <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref> is the mean magnetization of the particles for the given value of <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Thus, <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref> connects the magnetization before and after the ramp with the kinetic energy before and after the ramp. We now discuss how this result can be used to lower the kinetic energy of the particles.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2a</xref> we plotted <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It can be seen that <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is 0 for <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (paramagnetic phase) and increases for <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (ferromagnetic phase) while it tends to 1 in <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Note that only the positive solution <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has been shown, but there is also the solution <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This transition from spatially homogeneous (paramagnetic) to self-organized (ferromagnetic) has been described as a &#x201c;phase transition.&#x201d;</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>
<bold>(a)</bold> The stable solution <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref> as function of <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <bold>(b)</bold> Quotient of final <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and initial kinetic energy <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> depending on <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 11</xref>. The dashed line is the asymptotic result given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frqst-04-1535581-g002.tif"/>
</fig>
<p>In the spatially homogeneous phase, for <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the quotient of the kinetic energies in <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref> is always 1. This implies that any adiabatic change within the spatially homogeneous region will, to good approximation, not affect the kinetic energy.</p>
<p>However, when we assume that the coupling strength is initialized such that the particles are in the self-organized phase and ramped to a value where the particles are distributed spatially homogeneously&#x2014;that is, <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2014;we obtain<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This result of the right-hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 11</xref> in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2b</xref> is shown as black solid line. It is a monotonous decreasing function with <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, we conclude that a potentially very low kinetic energy can be reached by starting the ramp from a high coupling strength <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In this regime, for <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain the asymptotic result<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Euler number. This shows that the ratio of the kinetic energies is proportional to <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and is plotted as a dashed gray line in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2b</xref>.</p>
<p>We now discuss how this principle might be applicable to the driven-dissipative dynamics of particles in a cavity.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Cooling protocol</title>
<p>In order to apply the results of the previous section, we must first analyze the dissipative effects in the particles&#x2019; dynamics. This is done by comparing the results of <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equations 5a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">b</xref> that discard any dissipative effects with the dynamics, including dissipation, in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Equations 1a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1b">b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1c">c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1d">d</xref>.</p>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Effects of dissipation</title>
<p>We first initialize the particles in a strongly self-organized thermal state with kinetic energy <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Then, we ramp <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exponentially as<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>for different ramping times <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. While the choice of an exponential ramp is a technical detail, it allows for a rather fast change of the interaction strength for large values of <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and slow changes for <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2273;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This seems a good compromise between being fast and remaining approximately adiabatic. We study the dynamics of the full system, including the cavity degrees of freedom (<xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Equations 1a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1b">b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1c">c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1d">d</xref>) and the dynamics where the cavity degrees of freedom are eliminated (<xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equations 5a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">b</xref>). <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3a, b</xref> show the dynamics of the kinetic energy following the ramp for a ramping time of <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. To put these values into actual numbers, we provide an explicit example and use the value <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;kHz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <xref ref-type="bibr" rid="B17">Hosseini et al. (2017)</xref> for <sup>133</sup>Cs, which results in ramping times <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;ms</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;ms</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. The dashed line shows the result using the conservative dynamics (<xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equation 5a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">b</xref>), while the solid line represents the full dissipative dynamics (<xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Equation 1a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1b">b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1c">c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1d">d</xref>). Both curves for both ramping times show decreased kinetic energy. There is good agreement of both dynamics on short timescales while we observe discrepancies for the longer ramping time. Therefore, we expect that for sufficiently short times, dissipative effects are still negligible while they affect the dynamics on longer timescales. This relies on a timescale separation of dissipative and conservative forces that relies on (i) the number of particles and (ii) the typical timescale separation of motion and cavity relaxation&#x2014;that is, <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This was studied by <xref ref-type="bibr" rid="B19">J&#xe4;ger et al., (2016)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B33">Sch&#xfc;tz et al., (2016)</xref> and observed in <xref ref-type="bibr" rid="B43">Wu et al. (2023)</xref>. In conclusion, this preliminary analysis demonstrates that there must be an optimal ramping time for which the lowest possible temperature can be achieved.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>The kinetic energies <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in units of <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(a,b)</bold> and the kurtosis <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref>) <bold>(c,d)</bold> as function of time <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in units of <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> following a ramp according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> with <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. We have chosen <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>400</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>50</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and averaged over 200 trajectories. The system is initialized in a strongly self-organized thermal state with <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frqst-04-1535581-g003.tif"/>
</fig>
<p>While our original assumption was that the ramp is close to adiabatic, we expect this assumption to fail, especially because the system parameters are ramped across a phase transition. An observable to test this is the kurtosis<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The kurtosis is <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for a Gaussian state and deviates from 3 for non-Gaussian states. <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3c, d</xref> show the kurtosis with the same labeling for the two different ramping times. In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3c</xref>, we observe that the kurtosis remains close to 3 for times <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2272;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while it deviates for longer times as soon as the value of <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> crosses the phase transition line. In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3d</xref> we observe the same for the simulations of the conservative dynamics (<xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equations 5a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">b</xref>) and times <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2272;</mml:mo>
<mml:mn>70</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while the simulation of the full dissipative dynamics (<xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Equations 1a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1b">b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1c">c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1d">d</xref>) shows values of <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on much shorter timescales. This finding supports our claim that the dynamics do not remain adiabatic across the phase transition. In addition, the discrepancies between the conservative and dissipative dynamics predict a dissipation-assisted creation of non-Gaussian states that is closely related to the dissipation-assisted stabilization of non-Gaussian states predicted in <xref ref-type="bibr" rid="B33">Sch&#xfc;tz et al. (2016)</xref>.</p>
<p>We now analyze the dependence of the minimum achievable temperature on the ramping time <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> compares the values of the final kinetic energies <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for different ramping times <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, different particle numbers, and different ratios of <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The black line with symbols are calculated using simulations of <xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Equations 1a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1b">b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1c">c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1d">d</xref> with <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>50</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (circles), <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (crosses), and <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>200</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (pluses), where we show <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>400</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4a</xref> and <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>40</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4b</xref>. These are realistic values, and the lower value of <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>40</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is close to that realized in <xref ref-type="bibr" rid="B17">Hosseini et al. (2017)</xref>. For both simulations, the system has been initialized with a pumping strength of <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>50</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The results of the simulations predict a local minimum of the kinetic energy in the range <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, thus showing that there is an optimal ramping time. In general, this optimal ramping time is shorter for smaller particle numbers. In addition, the minimum achievable kinetic energy is larger for smaller particle numbers. This should be due to the timescale separation between the conservative and dissipative forces that becomes larger for increasing particle numbers.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Final kinetic energy <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in units of <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for different ramping times <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in units of <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and for <bold>(a)</bold> <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>400</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <bold>(b)</bold> <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>40</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The simulations have been performed for different particle numbers (see inset of (a)) using <xref ref-type="disp-formula" rid="e1a">Equations 1a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1b">b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1c">c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1d">d</xref>. The dashed gray lines correspond to simulations of <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equations 5a</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">b</xref> with <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>200</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> particles. The horizontal dashed&#x2013;dotted gray lines are the predictions of <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>. All results are obtained for simulations with parameters <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>50</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and using <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:mn>20000</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> trajectories.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frqst-04-1535581-g004.tif"/>
</fig>
<p>We also find that the result of the kinetic energy for <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>40</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (b) appears to be slightly displaced to larger ramping times with respect to the simulations for <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>400</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (a). We expect that this is due to a violation of the adiabaticity criteria, <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, that are not fulfilled for smaller values of <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and short ramping times in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4b</xref>. For completeness, we have also included a simulation of <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equations 5a</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">b</xref> that does not include dissipation and noise. The results are visible as gray dashed lines in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. Those curves are monotonically decreasing, thus showing that noise and dissipation are the origins for the local minima in the kinetic energy in the full simulations. The theoretical minimum of the achievable kinetic energy is shown as a gray dashed&#x2013;dotted line. It is calculated using <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref> and <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>50</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, resulting in <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>0.04</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We observe that the simulation without dissipation and noise (gray dashed line) converges to this theoretical minimum in the limit <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Cooling protocol</title>
<p>We now use this gained insight to minimize the kinetic energy of particles that are initially in a spatially homogeneous configuration. We thus assume that the initial state is a thermal state with temperature <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that can be reached by cavity cooling for <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The actual choice of this state is rather arbitrary but should be sufficiently cold such that the ensemble can be cavity (laser) cooled.</p>
<p>In a first stage, we perform a quench in the driving-laser intensity determined by <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has a value <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the system to reach a state well inside the self-organized phase. Over a very long time, the system again reaches a stationary state which is thermal. To be consistent, for large laser intensities, we need to take corrections of the final temperature into account which come from the laser driving power. This final kinetic energy is given in the well-organized regime (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Niedenzu et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B14">Grie&#xdf;er et al., 2012</xref>) by<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the effective trapping frequency.</p>
<p>In a second stage, we consider a ramp from <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> back to a value close to 0 such that both magnetization and kinetic energy are adiabatically reduced. If we assume that the system remains adiabatic in a thermal state, the optimum final kinetic energy can be approximated using <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref> by<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>par</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By minimizing <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equation 16</xref> with respect to <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we find<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>at an optimum value of<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>opt</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This minimum kinetic energy is of the order of the recoil energy <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>We now consider simulations that test this prediction. Following the procedure of the first stage, <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5a</xref> shows the dynamics of the kinetic energy after a quench from <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>opt</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 18</xref>). Initially, a rapid increase is observed in the magnetization determined by <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x27e8;" close="&#x27e9;">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This can be seen in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5c</xref>, which plots the cavity field determined by <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref>. Since energy is conserved on short timescales, the kinetic energy is also exponentially increasing, reaching a maximum of <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>6.5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. On longer timescales, dissipation guides the system toward a thermal state with a temperature given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equation 15</xref> (horizontal gray dashed line in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5a</xref>) with corresponding magnetization (horizontal gray dashed line in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5c</xref>). The steady-state magnetization has been calculated using <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> where <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref>. <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5e</xref> plots the kurtosis (<xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref>) that starts and ends at a value close to <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, suggesting that both the final and initial state are thermal.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Dynamics of the kinetic energies <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in units of <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(a,b)</bold>, cavity field determined by <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref> <bold>(c,d)</bold>, and kurtosis <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref>) <bold>(e,f)</bold> as a function of time <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in units of <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The plots in <bold>(a,c,e)</bold> are obtained after a quench from <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fer</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>opt</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 18</xref>), where the particles are initialized in a spatially homogeneous state with Gaussian momentum distribution and initial kinetic energy <inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. After a relaxation time <inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we perform a ramp according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> resulting in the dynamics visible in <bold>(b,d,f)</bold>. The ramping time is <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and all simulations have been performed with <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>400</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and averaging over 200 trajectories.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frqst-04-1535581-g005.tif"/>
</fig>
<p>Following the second stage, we ramp the coupling strength according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> with a ramping time of <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m228">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ramp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that we have found to be close to optimal for the choice of parameters in the previous subsection. <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5b</xref> shows the decrease of the kinetic energy that eventually reaches a value that is of the order of the recoil energy. We observe a final kinetic energy of <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m229">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>final</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.3</mml:mn>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, whereby <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref> predicts a similar value of <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m230">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>kin</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>0.9</mml:mn>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. During this process, the field intensity and mean magnetization of the system are decreased (<xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5d</xref>), reminiscent of adiabatic demagnetization. We emphasize that the adiabatic process is much faster than cavity cooling in the first stage. This is visible by comparing the time axes in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5a and b</xref>. This difference in the timescales comes from the fact that the adiabatic process is collective. The kurtosis, visible in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5f</xref>, remains 3 during the ramp until the phase transition line is crossed and the process is no longer adiabatic.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s4">
<title>4 Conclusion</title>
<p>In this paper, we have studied the possibility of cooling transversally driven particles inside an optical cavity using a combination of cavity cooling and a protocol reminiscent of adiabatic demagnetization. To analyze the effect of dissipation, we have performed simulations of dissipative and conservative dynamical models for this physical setup. We have shown that the particles can reach kinetic energies comparable to the recoil limit for the parameter choice below the typical limit of cavity cooling. To achieve this final kinetic energy, we have tuned the laser power from a value well above the self-organization threshold to below it. The duration of this ramp is chosen sufficiently long such that it seems to be quasi-adiabatic for the coherent dynamics but sufficiently rapid such that dissipation has only a minor effect on the final kinetic energy.</p>
<p>While the results presented here rely on adiabatically changing the coupling or interaction strength that results in a change of the internal magnetization, we expect that similar physics can be achieved by changing an additional external field that simulates an effective magnetic field. This can, for instance, be accomplished by modulating a laser that directly drives the cavity beside the transversal laser field (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Niedenzu et al., 2013</xref>).</p>
<p>It is important to emphasize that the cooling stage is crucial to achieving the final kinetic energy as it reduces entropy. However, the precise cooling protocol is rather arbitrary. In particular, the choice of cavity cooling, visible in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, can be replaced by other schemes, such as a ramp of the interaction strength instead of a quench, or even by other laser cooling mechanisms. Importantly, the sole outcome of this first stage is the preparation of a sufficiently cold and highly self-organized (magnetized) particle ensemble.</p>
<p>Regarding the ultimate limits of this cooling protocol, this analysis is performed with semiclassical equations. This means our approach is only valid for kinetic energies that are above the recoil limit. In addition, we have not included the quantum statistics of the particles, which becomes relevant for low temperatures. Including the latter would be an interesting extension of our work since one might expect different distributions for bosons (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Baumann et al., 2010</xref>) and fermions (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Helson et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B44">Zhang et al., 2021</xref>). In future research, it might also be interesting to use multi-mode cavities that provide more possibilities to tune the interactions and dissipation (<xref ref-type="bibr" rid="B37">Torggler and Ritsch, 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Keller et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Keller et al., 2018</xref>). The study of such systems is not only interesting for advances in laser and cavity cooling but also as a simulator for classical and quantum thermodynamics (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Vinjanampathy and Anders, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B27">Niedenzu et al., 2018</xref>). In conclusion, the engineering of interactions and dissipation for particles in optical cavities is a versatile tool for quantum technologies and studying new physics.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusions of this article will be made available by the author without undue reservation.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>SJ: Writing &#x2013; original draft and Writing &#x2013; review and editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s7">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research and/or publication of this article. We acknowledge support from the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under project number 277625399&#x2014;TRR 185 (B4) and under Germany&#x2019;s Excellence Strategy&#x2014;Cluster of Excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) EXC 2004/1&#x2014;390534769.</p>
</sec>
<ack>
<p>SJ acknowledges stimulating discussions with Stefan Sch&#xfc;tz, John Cooper, and Giovanna Morigi.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The author declares that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="ai-statement" id="s9">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The author(s) declare that no Generative AI was used in the creation of this manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec sec-type="supplementary-material" id="s11">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frqst.2025.1535581/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frqst.2025.1535581/full&#x23;supplementary-material</ext-link>
</p>
<supplementary-material xlink:href="DataSheet1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ac&#xed;n</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bloch</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buhrman</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Calarco</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eichler</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eisert</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>The quantum technologies roadmap: a european community view</article-title>. <source>New J. Phys.</source> <volume>20</volume>, <fpage>080201</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/aad1ea</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arnold</surname>
<given-names>K. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baden</surname>
<given-names>M. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barrett</surname>
<given-names>M. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Self-organization threshold scaling for thermal atoms coupled to a cavity</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>109</volume>, <fpage>153002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.109.153002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Asb&#xf3;th</surname>
<given-names>J. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Domokos</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritsch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vukics</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Self-organization of atoms in a cavity field: threshold, bistability, and scaling laws</article-title>. <source>Phys. Rev. A</source> <volume>72</volume>, <fpage>053417</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.72.053417</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Asenbaum</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kuhn</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nimmrichter</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sezer</surname>
<given-names>U.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arndt</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Cavity cooling of free silicon nanoparticles in high vacuum</article-title>. <source>Nat. Commun.</source> <volume>4</volume>, <fpage>2743</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncomms3743</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Barzanjeh</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xuereb</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gr&#xf6;blacher</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Paternostro</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Regal</surname>
<given-names>C. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weig</surname>
<given-names>E. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Optomechanics for quantum technologies</article-title>. <source>Nat. Phys.</source> <volume>18</volume>, <fpage>15</fpage>&#x2013;<lpage>24</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41567-021-01402-0</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Baumann</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guerlin</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brennecke</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esslinger</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Dicke quantum phase transition with a superfluid gas in an optical cavity</article-title>. <source>Nature</source> <volume>464</volume>, <fpage>1301</fpage>&#x2013;<lpage>1306</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature09009</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Black</surname>
<given-names>A. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chan</surname>
<given-names>H. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vuleti&#x107;</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Observation of collective friction forces due to spatial self-organization of atoms: from Rayleigh to bragg scattering</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>91</volume>, <fpage>203001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.91.203001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chu</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Nobel lecture: the manipulation of neutral particles</article-title>. <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>70</volume>, <fpage>685</fpage>&#x2013;<lpage>706</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.70.685</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cohen-Tannoudji</surname>
<given-names>C. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Nobel lecture: manipulating atoms with photons</article-title>. <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>70</volume>, <fpage>707</fpage>&#x2013;<lpage>719</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.70.707</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Deli&#x107;</surname>
<given-names>U.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reisenbauer</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grass</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kiesel</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vuleti&#x107;</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aspelmeyer</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Cavity cooling of a levitated nanosphere by coherent scattering</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>122</volume>, <fpage>123602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.122.123602</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>DePue</surname>
<given-names>M. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McCormick</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Winoto</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Oliver</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weiss</surname>
<given-names>D. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Unity occupation of sites in a 3d optical lattice</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>82</volume>, <fpage>2262</fpage>&#x2013;<lpage>2265</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.82.2262</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Domokos</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horak</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritsch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Semiclassical theory of cavity-assisted atom cooling</article-title>. <source>J. Phys. B</source> <volume>34</volume>, <fpage>187</fpage>&#x2013;<lpage>198</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0953-4075/34/2/306</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Domokos</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritsch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Collective cooling and self-organization of atoms in a cavity</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>89</volume>, <fpage>253003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.89.253003</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grie&#xdf;er</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niedenzu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritsch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Cooperative self-organization and sympathetic cooling of a multispecies gas in a cavity</article-title>. <source>New J. Phys.</source> <volume>14</volume>, <fpage>053031</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/14/5/053031</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Helson</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zwettler</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mivehvar</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Colella</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roux</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Konishi</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Density-wave ordering in a unitary fermi gas with photon-mediated interactions</article-title>. <source>Nature</source> <volume>618</volume>, <fpage>716</fpage>&#x2013;<lpage>720</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41586-023-06018-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Horak</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hechenblaikner</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gheri</surname>
<given-names>K. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stecher</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritsch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1997</year>). <article-title>Cavity-induced atom cooling in the strong coupling regime</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>79</volume>, <fpage>4974</fpage>&#x2013;<lpage>4977</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.79.4974</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hosseini</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Duan</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beck</surname>
<given-names>K. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.-T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vuleti&#x107;</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Cavity cooling of many atoms</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>118</volume>, <fpage>183601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.118.183601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Urvoy</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vendeiro</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cr&#xe9;pel</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vuleti&#x107;</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Creation of a bose-condensed gas of <sup>87</sup>rb by laser cooling</article-title>. <source>Science</source> <volume>358</volume>, <fpage>1078</fpage>&#x2013;<lpage>1080</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.aan5614</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>J&#xe4;ger</surname>
<given-names>S. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sch&#xfc;tz</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morigi</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Mean-field theory of atomic self-organization in optical cavities</article-title>. <source>Phys. Rev. A</source> <volume>94</volume>, <fpage>023807</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.94.023807</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Keller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>J&#xe4;ger</surname>
<given-names>S. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morigi</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Phases of cold atoms interacting via photon-mediated long-range forces</article-title>. <source>J. Stat. Mech.</source> <volume>2017</volume>, <fpage>064002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/aa71d7</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Keller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Torggler</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>J&#xe4;ger</surname>
<given-names>S. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sch&#xfc;tz</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritsch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morigi</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Quenches across the self-organization transition in multimode cavities</article-title>. <source>New J. Phys.</source> <volume>20</volume>, <fpage>025004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/aaa161</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ladd</surname>
<given-names>T. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jelezko</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Laflamme</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nakamura</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Monroe</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>O&#x2019;Brien</surname>
<given-names>J. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Quantum computers</article-title>. <source>Nature</source> <volume>464</volume>, <fpage>45</fpage>&#x2013;<lpage>53</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature08812</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Maunz</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Puppe</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schuster</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Syassen</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pinkse</surname>
<given-names>P. W. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rempe</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Cavity cooling of a single atom</article-title>. <source>Nature</source> <volume>428</volume>, <fpage>50</fpage>&#x2013;<lpage>52</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature02387</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Metcalf</surname>
<given-names>H. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Van der Straten</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <source>Laser cooling and trapping</source>. <publisher-name>Springer Science &#x26; Business Media</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Morigi</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pinkse</surname>
<given-names>P. W. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kowalewski</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Vivie-Riedle</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Cavity cooling of internal molecular motion</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>99</volume>, <fpage>073001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.99.073001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niedenzu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grie&#xdf;er</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritsch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Kinetic theory of cavity cooling and self-organisation of a cold gas</article-title>. <source>Europhys. Lett.</source> <volume>96</volume>, <fpage>43001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/96/43001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niedenzu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mukherjee</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ghosh</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kofman</surname>
<given-names>A. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kurizki</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Quantum engine efficiency bound beyond the second law of thermodynamics</article-title>. <source>Nat. Commun.</source> <volume>9</volume>, <fpage>165</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41467-017-01991-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niedenzu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sch&#xfc;tz</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Habibian</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morigi</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritsch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Seeding patterns for self-organization of photons and atoms</article-title>. <source>Phys. Rev. A</source> <volume>88</volume>, <fpage>033830</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.88.033830</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Phillips</surname>
<given-names>W. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Nobel lecture: laser cooling and trapping of neutral atoms</article-title>. <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>70</volume>, <fpage>721</fpage>&#x2013;<lpage>741</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.70.721</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schleier-Smith</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leroux</surname>
<given-names>I. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Van Camp</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vuleti&#x107;</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Optomechanical cavity cooling of an atomic ensemble</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>107</volume>, <fpage>143005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.107.143005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sch&#xfc;tz</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Habibian</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morigi</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Cooling of atomic ensembles in optical cavities: semiclassical limit</article-title>. <source>Phys. Rev. A</source> <volume>88</volume>, <fpage>033427</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.88.033427</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sch&#xfc;tz</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>J&#xe4;ger</surname>
<given-names>S. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morigi</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Thermodynamics and dynamics of atomic self-organization in an optical cavity</article-title>. <source>Phys. Rev. A</source> <volume>92</volume>, <fpage>063808</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.92.063808</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sch&#xfc;tz</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>J&#xe4;ger</surname>
<given-names>S. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morigi</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Dissipation-assisted prethermalization in long-range interacting atomic ensembles</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>117</volume>, <fpage>083001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.117.083001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sch&#xfc;tz</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morigi</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Prethermalization of atoms due to photon-mediated long-range interactions</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>113</volume>, <fpage>203002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.113.203002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stenholm</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1986</year>). <article-title>The semiclassical theory of laser cooling</article-title>. <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>58</volume>, <fpage>699</fpage>&#x2013;<lpage>739</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.58.699</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tishin</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spichkin</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <source>The magnetocaloric effect and its applications</source>. <edition>1st ed.</edition> <publisher-name>Boca Raton: CRC Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Torggler</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritsch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Adaptive multifrequency light collection by self-ordered mobile scatterers in optical resonators</article-title>. <source>Optica</source> <volume>1</volume>, <fpage>336</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/optica.1.000336</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vinjanampathy</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anders</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Quantum thermodynamics</article-title>. <source>Contemp. Phys.</source> <volume>57</volume>, <fpage>545</fpage>&#x2013;<lpage>579</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/00107514.2016.1201896</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vuleti&#x107;</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chu</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Laser cooling of atoms, ions, or molecules by coherent scattering</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>84</volume>, <fpage>3787</fpage>&#x2013;<lpage>3790</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.84.3787</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wieman</surname>
<given-names>C. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pritchard</surname>
<given-names>D. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wineland</surname>
<given-names>D. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Atom cooling, trapping, and quantum manipulation</article-title>. <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>71</volume>, <fpage>S253</fpage>&#x2013;<lpage>S262</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.71.s253</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wineland</surname>
<given-names>D. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Itano</surname>
<given-names>W. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1979</year>). <article-title>Laser cooling of atoms</article-title>. <source>Phys. Rev. A</source> <volume>20</volume>, <fpage>1521</fpage>&#x2013;<lpage>1540</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.20.1521</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wolke</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Klinner</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ke&#xdf;ler</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hemmerich</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Cavity cooling below the recoil limit</article-title>. <source>Science</source> <volume>337</volume>, <fpage>75</fpage>&#x2013;<lpage>78</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1219166</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Qi</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Signatures of prethermalization in a quenched cavity-mediated long-range interacting fermi gas</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>131</volume>, <fpage>243401</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.131.243401</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Observation of a superradiant quantum phase transition in an intracavity degenerate fermi gas</article-title>. <source>Science</source> <volume>373</volume>, <fpage>1359</fpage>&#x2013;<lpage>1362</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.abd4385</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>