Ein Forschungsteam hat ein exakt lösbares Modell entwickelt, das zeigt, wie eingeschlossenes Licht magnetische Ordnung in einer eindimensionalen Spin-Kette erzeugen kann. Die in Physical Review Research veröffentlichte Studie untersucht eine klassische Ising-Kette, die an einen einzelnen Kavitätsphotonenmodus gekoppelt ist.
Im konventionellen eindimensionalen Ising-Modell durchlaufen benachbarte magnetische Teilchen bei endlicher Temperatur keinen magnetischen Phasenübergang. Phasenübergänge können in höherdimensionalen Systemen auftreten, wodurch das Ising-Modell zu einem wichtigen Instrument für die Untersuchung kollektiven Verhaltens wechselwirkender Teilchen wird.
Die Forschenden untersuchten, ob die Kopplung der Kette an Licht dieses Verhalten verändern könnte. Ihr Modell zeigt, dass in einer Spiegelkavität eingeschlossene Photonen langreichweitige Wechselwirkungen erzeugen, die alle Spins miteinander verbinden. Diese photonvermittelten Wechselwirkungen ermöglichen es der Kette, bei einer bestimmten Temperatur magnetische Ordnung und ein makroskopisches elektromagnetisches Feld zu entwickeln.
Das System durchläuft bei endlicher Temperatur einen kontinuierlichen superradianten Phasenübergang zweiter Ordnung. Das Team bestimmte die Magnetisierung, die Photonenzahl und die kritische Temperatur analytisch und erhielt im thermodynamischen Limes exakte Ergebnisse.
„Wir wollten verstehen, wie Wechselwirkungen innerhalb von Materie einen superradianten Phasenübergang im thermischen Gleichgewicht beeinflussen“, sagte Motoaki Bamba, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Yokohama National University. Er wies darauf hin, dass viele einfache Modelle Wechselwirkungen auslassen, die in realen Materialien vorkommen.
Die Forschenden erklärten, dass das exakt lösbare Modell einen Referenzpunkt für die Analyse komplexerer Licht-Materie-Systeme liefert. Anders als mehrere kürzlich veröffentlichte Studien zu kavitätsgekoppelten eindimensionalen Systemen, die sich auf das Verhalten bei absolutem Nullpunkt konzentrierten, untersucht diese Arbeit deren Eigenschaften bei endlichen Temperaturen.
Das Team plant, Energieverluste einzubeziehen und realistischere Plattformen zu untersuchen, darunter Arrays supraleitender Qubits und eindimensionale Magnete, die an Kavitäten im Subterahertzbereich gekoppelt sind. Die Arbeit soll dazu beitragen, Gleichgewichtsphasen zu klären und zu kontrollieren, an denen Licht und Materie beteiligt sind.
Die Studie „Exactly solvable phase transition in a cavity-coupled one-dimensional Ising chain“ wurde von Shuntaro Otake und Kollegen verfasst und 2026 in Physical Review Research veröffentlicht. Der DOI lautet 10.1103/fxml-nv46.
Quellen: Phys.org.