Un model exact arată cum lumina confinată poate induce ordine magnetică în lanțuri de spin unidimensionale
O echipă de cercetători a studiat modul în care forțele dintre particulele din interiorul unui material se modifică atunci când materialul este plasat într-o cavitate optică. Cercetătorii au descoperit că, prin confinarea unor lanțuri clasice de spin unidimensionale într-o cavitate cu pereți-oglindă, împreună cu lumină, particulele magnetice se pot organiza spontan și pot suferi o tranziție de fază. Rezultatele oferă cele mai simple exemple rezolvabile exact care arată că lumina poate induce noi tranziții de fază în materiale.
În 1925, Ernst Ising a demonstrat că un singur lanț unidimensional de particule magnetice mici, cu interacții doar între vecinii apropiați, nu prezintă o tranziție de fază magnetică la temperaturi finite. Acesta este cunoscut drept lanțul Ising. Astăzi, însă, se știe că tranzițiile de fază magnetică pot apărea în două sau mai multe dimensiuni, ceea ce face din modelul Ising un instrument matematic simplu și esențial pentru studierea comportamentului grupurilor mari de particule care interacționează.
În paralel, cercetătorii folosesc sisteme cu cavități în care materia și lumina sunt capturate și interacționează puternic, ceea ce poate duce la descoperirea de noi fenomene fizice. În ultimul deceniu, cuplajul ultrapuțernic dintre lumină și materie a trecut de la concepte teoretice la diverse sisteme experimentale, inclusiv fononi, tranziții intersubbandă în groapă cuantică din semiconductori, circuite supraconductoare, molecule organice, mișcarea ciclotronică a electronilor și magnoni. Aceste progrese sugerează aplicații potențiale atât în fizică, cât și în chimie.
Un interes deosebit îl reprezintă observarea tranziției de fază superradiante, adică apariția spontană a unui câmp electromagnetic coerent în echilibru termic, ca urmare a cuplajului dintre lumină și materie.
Un model lumină-materie rezolvabil exact
În studiul publicat în revista Physical Review Research, echipa a urmat o cale minimă de interacție, investigând un model clasic unidimensional cuplat la o cavitate, care poate fi rezolvat exact. Rezultatul este o tranziție de fază superradiantă, oferind cel mai simplu exemplu unidimensional de interacție rezolvabil exact.
Construcția aleasă face mecanismul explicit, arătând cum cuplajul complet conectat, mediat de fotoni, împreună cu interacțiile intrinseci, produce superradianță la o anumită temperatură. Modelul clasic de spin le-a permis cercetătorilor să determine exact tranziția de fază superradiantă la temperatură finită, în limita termodinamică.
Alte studii recente asupra sistemelor unidimensionale cuplate la cavități s-au concentrat asupra comportamentului la temperatura zero absolut, în timp ce echipa a explorat proprietățile exacte la temperaturi finite.
„Am vrut să înțelegem cum interacțiile din interiorul materiei afectează o tranziție de fază superradiantă în echilibru termic”, a declarat Motoaki Bamba, profesor asociat la Facultatea de Inginerie a Universității Naționale Yokohama. Majoritatea modelelor simple nu includ aceste interacții, deși ele sunt prezente în materialele reale. „Am studiat așadar un lanț de spin Ising unidimensional cuplat la un singur mod de foton al cavității. Lanțul de spin nu are singur o tranziție de fază la temperatură finită, așa că ne-am întrebat dacă lumina din cavitate poate provoca o tranziție de fază în lanțul de spin.”
Fotonii din cavitate creează ordine magnetică de lungă distanță
Descoperirea centrală a echipei este că acest sistem unidimensional suferă o tranziție de fază magnetică de ordinul doi atunci când este cuplat la un câmp de fotoni al cavității.
„Mesajul principal este că fotonii din cavitate pot crea interacții de lungă distanță între toți spinii”, a spus Bamba. Aceste interacții permit unui lanț de spin unidimensional să dezvolte ordine magnetică și un câmp de lumină macroscopic la temperatură finită.
„Am derivat analitic magnetizarea, numărul de fotoni și temperatura critică. Deoarece modelul este rezolvabil exact, oferă o referință clară pentru studierea sistemelor lumină-materie mai complexe”, a explicat Bamba.
Privind în perspectivă, echipa dorește să includă pierderile de energie și să studieze sisteme mai realiste. „Posibile platforme experimentale includ rețele de qubiți supraconductori și magneți unidimensionali cuplați la cavități subterahertz. Scopul nostru final este să înțelegem și să controlăm fazele de echilibru ale luminii și materiei și să ajutăm la orientarea experimentelor către noi tehnologii optice cuantice”, a mai spus Bamba.
