Un gruppo di ricerca ha sviluppato un modello esattamente risolvibile che mostra come la luce intrappolata possa generare ordine magnetico in una catena di spin unidimensionale. Lo studio, pubblicato su Physical Review Research, esamina una catena classica di Ising accoppiata a un singolo modo fotonico di cavità.
Nel modello convenzionale di Ising unidimensionale, le particelle magnetiche vicine non subiscono una transizione di fase magnetica a temperatura finita. Le transizioni di fase possono verificarsi nei sistemi a dimensione superiore, rendendo il modello di Ising uno strumento importante per studiare il comportamento collettivo delle particelle interagenti.
I ricercatori hanno esaminato se l’accoppiamento della catena alla luce potesse modificare questo comportamento. Il loro modello mostra che i fotoni confinati all’interno di una cavità a specchi creano interazioni a lungo raggio che collegano tutti gli spin. Queste interazioni mediate dai fotoni consentono alla catena di sviluppare ordine magnetico e un campo elettromagnetico macroscopico a una temperatura specifica.
Il sistema subisce una transizione di fase superradiante del secondo ordine a temperatura finita. Il gruppo ha determinato analiticamente la magnetizzazione, il numero di fotoni e la temperatura critica, ottenendo risultati esatti nel limite termodinamico.
«Volevamo comprendere in che modo le interazioni all’interno della materia influenzino una transizione di fase superradiante all’equilibrio termico», ha dichiarato Motoaki Bamba, professore associato presso la Facoltà di Ingegneria della Yokohama National University. Ha osservato che molti modelli semplici omettono le interazioni presenti nei materiali reali.
I ricercatori hanno affermato che il modello esattamente risolvibile fornisce un punto di riferimento per analizzare sistemi luce-materia più complessi. A differenza di diversi studi recenti sui sistemi unidimensionali accoppiati a cavità, che si sono concentrati sul comportamento a temperatura dello zero assoluto, questo lavoro ne esamina le proprietà a temperature finite.
Il gruppo prevede di includere la perdita di energia e di studiare piattaforme più realistiche, tra cui array di qubit superconduttivi e magneti unidimensionali accoppiati a cavità sub-terahertz. Il lavoro mira a contribuire a chiarire e controllare le fasi di equilibrio che coinvolgono luce e materia.
Lo studio, «Exactly solvable phase transition in a cavity-coupled one-dimensional Ising chain», è stato scritto da Shuntaro Otake e colleghi e pubblicato su Physical Review Research nel 2026. Il suo DOI è 10.1103/fxml-nv46.
Fonti: Phys.org.