Uma equipe de pesquisa desenvolveu um modelo exatamente solúvel que mostra como a luz confinada pode gerar ordem magnética em uma cadeia de spins unidimensional. O estudo, publicado na Physical Review Research, examina uma cadeia de Ising clássica acoplada a um único modo de fótons da cavidade.
No modelo convencional de Ising unidimensional, partículas magnéticas vizinhas não passam por uma transição de fase magnética a temperatura finita. Transições de fase podem ocorrer em sistemas de dimensões superiores, tornando o modelo de Ising uma ferramenta importante para estudar o comportamento coletivo de partículas que interagem.
Os pesquisadores investigaram se o acoplamento da cadeia à luz poderia alterar esse comportamento. O modelo mostra que os fótons confinados dentro de uma cavidade formada por espelhos criam interações de longo alcance que conectam todos os spins. Essas interações mediadas por fótons permitem que a cadeia desenvolva ordem magnética e um campo eletromagnético macroscópico a uma temperatura específica.
O sistema passa por uma transição de fase superradiante de segunda ordem a temperatura finita. A equipe determinou analiticamente a magnetização, o número de fótons e a temperatura crítica, obtendo resultados exatos no limite termodinâmico.
“Queríamos entender como as interações dentro da matéria afetam uma transição de fase superradiante em equilíbrio térmico”, afirmou Motoaki Bamba, professor associado da Faculdade de Engenharia da Universidade Nacional de Yokohama. Ele observou que muitos modelos simples deixam de fora interações encontradas em materiais reais.
Os pesquisadores afirmaram que o modelo exatamente solúvel fornece um ponto de referência para analisar sistemas mais complexos de luz e matéria. Ao contrário de vários estudos recentes sobre sistemas unidimensionais acoplados a cavidades, que se concentraram no comportamento no zero absoluto, este trabalho examina suas propriedades a temperaturas finitas.
A equipe planeja incorporar a perda de energia e investigar plataformas mais realistas, incluindo arranjos de qubits supercondutores e ímãs unidimensionais acoplados a cavidades subterahertz. O trabalho pretende ajudar a esclarecer e controlar fases de equilíbrio que envolvem luz e matéria.
O estudo, “Transição de fase exatamente solúvel em uma cadeia de Ising unidimensional acoplada a uma cavidade”, foi escrito por Shuntaro Otake e colaboradores e publicado na Physical Review Research em 2026. Seu DOI é 10.1103/fxml-nv46.
Fontes: Phys.org.