Une équipe de recherche a développé un modèle exactement soluble montrant comment la lumière piégée peut générer un ordre magnétique dans une chaîne de spins unidimensionnelle. L’étude, publiée dans Physical Review Research, examine une chaîne d’Ising classique couplée à un unique mode photonique de cavité.
Dans le modèle d’Ising unidimensionnel conventionnel, les particules magnétiques voisines ne subissent pas de transition de phase magnétique à température finie. Des transitions de phase peuvent se produire dans les systèmes de dimension supérieure, ce qui fait du modèle d’Ising un outil important pour étudier le comportement collectif de particules en interaction.
Les chercheurs ont étudié si le couplage de la chaîne à la lumière pouvait modifier ce comportement. Leur modèle montre que les photons confinés dans une cavité à miroirs créent des interactions à longue portée reliant tous les spins. Ces interactions médiées par les photons permettent à la chaîne de développer un ordre magnétique et un champ électromagnétique macroscopique à une température spécifique.
Le système subit une transition de phase superradiante du second ordre à température finie. L’équipe a déterminé analytiquement l’aimantation, le nombre de photons et la température critique, obtenant des résultats exacts dans la limite thermodynamique.
« Nous voulions comprendre comment les interactions au sein de la matière influencent une transition de phase superradiante à l’équilibre thermique », a déclaré Motoaki Bamba, professeur associé à la Faculté d’ingénierie de l’Université nationale de Yokohama. Il a souligné que de nombreux modèles simples omettent les interactions présentes dans les matériaux réels.
Les chercheurs ont indiqué que le modèle exactement soluble fournit un point de référence pour analyser des systèmes lumière-matière plus complexes. Contrairement à plusieurs études récentes de systèmes unidimensionnels couplés à une cavité, qui se sont concentrées sur le comportement au zéro absolu, ce travail examine leurs propriétés à des températures finies.
L’équipe prévoit d’intégrer les pertes d’énergie et d’étudier des plateformes plus réalistes, notamment des réseaux de qubits supraconducteurs et des aimants unidimensionnels couplés à des cavités sous-térahertz. Ce travail vise à contribuer à clarifier et à contrôler les phases d’équilibre impliquant la lumière et la matière.
L’étude, intitulée « Exactly solvable phase transition in a cavity-coupled one-dimensional Ising chain », a été rédigée par Shuntaro Otake et ses collègues et publiée dans Physical Review Research en 2026. Son DOI est 10.1103/fxml-nv46.
Sources: Phys.org.