Ερευνητική ομάδα από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Γιοκοχάμα ανακάλυψε ότι η τοποθέτηση μονοδιάστατων κλασικών αλυσίδων σπιν μέσα σε έναν κάτοπτρο-κοιλότητα με φως μπορεί να εξαναγκάσει τα μαγνητικά σωματίδια να οργανωθούν και να υποστούν φασική μετάβαση.
Η μελέτη αυτή, η οποία δημοσιεύτηκε στο Physical Review Research, προσφέρει τα απλούστερα ακριβώς επιλύσιμα παραδείγματα που αποδεικνύουν ότι το φως μπορεί να δημιουργήσει νέες φασικές μεταβάσεις στα υλικά.
Πέρα από τα όρια της αλυσίδας Ising
Το 1925, ο Ernst Ising έδειξε ότι μια μονοδιάστατη αλυσίδα μικρών μαγνητικών σωματιδίων με αλληλεπιδράσεις πλησιέστερων γειτόνων δεν παρουσιάζει μαγνητική φασική μετάβαση σε πεπερασμένες θερμοκρασίες, καθιστώντας το μοντέλο ένα βασικό μαθηματικό εργαλείο.
Σήμερα, ωστόσο, οι επιστήμονες αξιοποιούν συστήματα κοιλοτήτων όπου η ύλη και το φως παγιδεύονται και αλληλεπιδρούν έντονα, οδηγώντας στην πιθανή ανακάλυψη νέων φυσικών φαινομένων.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η παρατήρηση της υπερακτινοβολητικής φασικής μετάβασης (superradiant phase transition), η οποία συνίσταται στην αυθόρμητη δημιουργία ενός συνεκτικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου υπό θερμική ισορροπία.
Ενώ προηγούμενες μελέτες επικεντρώθηκαν στη συμπεριφορά σε απόλυτο μηδέν, η νέα έρευνα εξέτασε τις ακριβείς ιδιότητες σε πεπερασμένες θερμοκρασίες χρησιμοποιώντας ένα ελάχιστο αλληλεπιδρών μοντέλο.
Τα φωτόνια της κοιλότητας δημιουργούν μαγνητική τάξη εμβέλειας
Σύμφωνα με τον Motoaki Bamba, αναπληρωτή καθηγητή στη Σχολή Μηχανικών του πανεπιστημίου, η ομάδα εξέτασε μια μονοδιάστατη αλυσίδα σπιν Ising σε συνδυασμό με έναν ενιαίο ρυθμό φωτονίων κοιλότητας, καθώς η ίδια η αλυσίδα δεν διαθέτει φασική μετάβαση πεπερασμένης θερμοκρασίας.
Το κεντρικό εύρημα είναι ότι αυτό το 1D σύστημα υφίσταται πράγματι μαγνητική φασική μετάβαση δεύτερης τάξης όταν συνδέεται με ένα πεδίο φωτονίων κοιλότητας.
Τα φωτόνια δημιουργούν αλληλεπιδράσεις μακράς εμβέλειας μεταξύ όλων των σπιν, επιτρέποντας στην αλυσίδα να αναπτύξει μαγνητική τάξη και ένα μακροσκοπικό πεδίο φωτός.
Οι ερευνητές υπολόγισαν αναλυτικά τη μαγνήτιση, τον αριθμό των φωτονίων και την κρίσιμη θερμοκρασία, παρέχοντας μια σαφή βάση αναφοράς για την περαιτέρω μελέτη πιο σύνθετων συστημάτων φωτός-ύλης και την ανάπτυξη νέων κβαντικών οπτικών τεχνολογιών.