Tam olarak çözülebilir model, hapsolmuş ışığın tek boyutlu spin zincirlerinde nasıl manyetik düzen yaratabildiğini ortaya koyuyor

Bir araştırma ekibi, bir malzemenin içindeki parçacıklar arasındaki kuvvetlerin nasıl değiştiğini daha iyi anlamak istedi. Tek boyutlu klasik spin zincirlerini ışıkla dolu bir ayna kutusu boşluğunun içine hapsederek, bu manyetik parçacıkları organize olmaya ve bir faz geçişine girmeye zorlayabileceklerini keşfettiler. Çalışmaları, ışığın malzemelerle yeni faz geçişleri oluşturabildiğini gösteren, tam olarak çözülebilir en basit örnekleri sunuyor.

Ising zincirinin sınırlarının ötesinde

1925’te Ernst Ising, en yakın komşu etkileşimlerine sahip tek boyutlu küçük manyetik parçacıklar zincirinin sonlu sıcaklıklarda manyetik faz geçişi sergilemediğini gösterdi. Buna Ising zinciri denir.

Ancak bugün bilim insanları, manyetik faz geçişlerinin iki veya daha fazla boyutta meydana gelebileceğini biliyor ve bu da Ising modelini, etkileşim halindeki büyük parçacık gruplarının nasıl davrandığını incelemek için basit, önemli bir matematik aracı olarak konumlandırıyor. Ayrıca bilim insanları, madde ve ışığın hapsedildiği ve birbirleriyle güçlü bir şekilde etkileşime girdiği boşluk sistemlerini kullanıyor ve bu da fizikte yeni olayların keşfedilmesine yol açıyor.

Son on yılda, ışık-maddenin aşırı güçlü birleşimi teorik kavramlardan çeşitli deneysel sistemlere doğru ilerledi. Bu deneysel sistemler arasında fononlar, yarı iletken kuantum kuyularındaki alt bantlar arası geçişler, süper iletken devreler, organik moleküller, elektron siklotron hareketi ve magnonlar yer alır. Bu ilerleme bilim adamlarına hem fizik hem de kimyadaki potansiyel uygulamaları gösterdi.

Bilim adamları, ışık-madde eşleşmesinden dolayı termal denge altında tutarlı bir elektromanyetik alanın kendiliğinden oluşması olan süper radyant faz geçişini gözlemlemeye özel bir ilgi duymuşlardır.

Tam olarak çözülebilir bir ışık-madde modeli

Dergide yayımlanan araştırmalarında Fiziksel İnceleme AraştırmasıAraştırma ekibi, tam olarak çözülebilir boşluk bağlantılı 1 boyutlu klasik modeli araştırarak minimal etkileşimli bir yol izledi. Ekibe çözülebilir en basit etkileşimli 1D örneğini sağlayan süper parlak bir faz geçişi meydana gelir.

Seçtikleri yapı, foton aracılı tam bağlantılı eşleşmenin, içsel etkileşimlerle birlikte, belirli bir sıcaklıkta nasıl süper parlaklık ürettiğini göstererek mekanizmayı açık hale getiriyor. Klasik spin modeli, araştırmacıların sonlu sıcaklık süperradyant faz geçişini tam olarak termodinamik limitte belirlemesine olanak sağladı.

Boşluk bağlantılı 1 boyutlu sistemler üzerinde yürütülen diğer yeni çalışmalar mutlak sıfır sıcaklıktaki davranışa odaklanırken, bu çalışmada araştırma ekibi sonlu sıcaklıklardaki kesin özellikleri araştırdı.

Yokohama Ulusal Üniversitesi Mühendislik Fakültesi’nden doçent Motoaki Bamba, “Madde içindeki etkileşimlerin termal dengede süper radyant faz geçişini nasıl etkilediğini anlamak istedik” dedi. Çoğu basit model, gerçek malzemelerde mevcut olmasına rağmen bu etkileşimleri içermez.

“Bu nedenle, tek boşluklu foton moduna bağlı tek boyutlu bir Ising spin zinciri üzerinde çalıştık. Spin zincirinin kendi başına sonlu sıcaklıkta faz geçişi yoktur, bu nedenle boşluk ışığının spin zincirinde bir faz geçişine neden olup olamayacağını sorduk.”

Boşluk fotonları uzun menzilli manyetik düzen yaratır

Ekibin çalışmasının temel bulgusu, bu 1 boyutlu sistemin, boşluklu bir foton alanına bağlandığında ikinci dereceden bir manyetik faz geçişine maruz kalmasıdır. Bamba, “Asıl mesaj, boşluk fotonlarının tüm dönüşler arasında uzun menzilli etkileşimler yaratabileceğidir” dedi. Bu etkileşimler, tek boyutlu bir eğirme zincirinin, manyetik düzen ve sonlu sıcaklıkta makroskobik bir ışık alanı geliştirmesine olanak tanır.

Bamba, “Mıknatıslanmayı, foton sayısını ve kritik sıcaklığı analitik olarak elde ettik. Model tam olarak çözülebilir olduğundan, daha karmaşık ışık-madde sistemlerini incelemek için net bir referans sağlıyor” dedi.

Ekip ileriye dönük olarak enerji kaybını da dahil etmek ve daha gerçekçi sistemler üzerinde çalışmak istiyor. Bamba, “Olası deneysel platformlar arasında süper iletken kübit dizileri ve terahertz altı boşluklara bağlanan tek boyutlu mıknatıslar yer alıyor. Nihai hedefimiz, ışık ve maddenin denge fazlarını anlamak ve kontrol etmek ve deneyleri yeni kuantum optik teknolojilerine doğru yönlendirmeye yardımcı olmaktır” dedi.