Un equipo de investigación ha desarrollado un modelo exactamente soluble que muestra cómo la luz atrapada puede generar orden magnético en una cadena de espines unidimensional. El estudio, publicado en Physical Review Research, examina una cadena clásica de Ising acoplada a un único modo de fotón de cavidad.
En el modelo convencional de Ising unidimensional, las partículas magnéticas vecinas no experimentan una transición de fase magnética a temperatura finita. Las transiciones de fase pueden producirse en sistemas de dimensiones superiores, lo que convierte al modelo de Ising en una herramienta importante para estudiar el comportamiento colectivo de partículas que interactúan.
Los investigadores analizaron si el acoplamiento de la cadena con la luz podía cambiar este comportamiento. Su modelo muestra que los fotones confinados dentro de una cavidad formada por espejos crean interacciones de largo alcance que conectan todos los espines. Estas interacciones mediadas por fotones permiten que la cadena desarrolle orden magnético y un campo electromagnético macroscópico a una temperatura específica.
El sistema experimenta una transición de fase superradiante de segundo orden a temperatura finita. El equipo determinó analíticamente la magnetización, el número de fotones y la temperatura crítica, obteniendo resultados exactos en el límite termodinámico.
«Queríamos comprender cómo las interacciones dentro de la materia afectan a una transición de fase superradiante en equilibrio térmico», declaró Motoaki Bamba, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Yokohama. Señaló que muchos modelos sencillos omiten las interacciones presentes en los materiales reales.
Los investigadores afirmaron que el modelo exactamente soluble proporciona un punto de referencia para analizar sistemas de luz y materia más complejos. A diferencia de varios estudios recientes sobre sistemas unidimensionales acoplados a cavidades, que se centraron en el comportamiento a temperatura absoluta cero, este trabajo examina sus propiedades a temperaturas finitas.
El equipo planea incorporar la pérdida de energía e investigar plataformas más realistas, incluidas matrices de cúbits superconductores y materiales magnéticos unidimensionales acoplados a cavidades subterahercio. El trabajo pretende ayudar a aclarar y controlar las fases de equilibrio que involucran luz y materia.
El estudio, «Transición de fase exactamente soluble en una cadena de Ising unidimensional acoplada a una cavidad», fue escrito por Shuntaro Otake y sus colaboradores y publicado en Physical Review Research en 2026. Su DOI es 10.1103/fxml-nv46.
Fuentes: Phys.org.