Nuevas Perspectivas sobre las Transiciones de Fase Cuánticas
La investigación revela complejidades en las fases superradiantes frustradas y sus comportamientos.
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Tabla de contenidos
Las transiciones de fase cuánticas ocurren cuando un sistema cambia de una fase a otra debido a efectos mecánicos cuánticos en vez de condiciones externas como temperatura y presión. Estas transiciones nos dan una comprensión más profunda de cómo se comportan ciertos materiales a temperaturas muy bajas y cómo juega un papel la mecánica cuántica en estos comportamientos.
El Modelo de Dicke y la Superradiancia
El modelo de Dicke es un ejemplo clásico en la física cuántica donde una colección de átomos de dos niveles interactúa con un único modo de luz. Cuando la unión entre la luz y los átomos se vuelve lo suficientemente fuerte, el sistema puede pasar a una fase conocida como superradiancia. En esta fase, los átomos emiten luz colectivamente de manera más eficiente que si lo hicieran individualmente.
Fase de Superradiancia Frustrada
Un nuevo área de estudio se centra en la fase de superradiancia frustrada, que ocurre cuando varios modelos de Dicke se colocan en un anillo y se les permite interactuar a través de la luz. Esta configuración introduce complejidades interesantes, ya que la cooperación dentro del sistema puede conducir a comportamientos inusuales según cómo interactúan los componentes.
El Papel de las Perturbaciones
En este contexto, los investigadores exploran cómo colocar limitaciones o hacer cambios en el sistema, llamados perturbaciones, puede afectar estas fases. Por ejemplo, un tipo de perturbación podría cambiar cómo el sistema procesa la luz y romper ciertas simetrías, lo que puede alterar los comportamientos críticos observados.
Hallazgos Clave de la Investigación
Un hallazgo importante es cómo diferentes tipos de perturbaciones conducen a varios tipos de transiciones de fase. Por ejemplo, cuando se alteran ciertas simetrías, el sistema puede mostrar cambios en sus leyes de escalado, que son la forma en que diferentes propiedades del sistema se relacionan entre sí cerca de las transiciones.
Los investigadores encontraron que romper la simetría temporal lleva a un cambio en el escalado crítico, introduciendo un nuevo comportamiento que no se había visto previamente. Además, aparece un nuevo modo de energía cero en la fase superradiant, lo que significa que el sistema puede ser excitado sin necesitar energía adicional, resaltando lo intrincado que puede ser el comportamiento de los sistemas cuánticos.
Espectros de Excitación y Escalado Crítico
Los espectros de excitación se refieren a las maneras en que los niveles de energía dentro del sistema pueden variar, y estas variaciones ayudan a entender cómo responde el sistema a los cambios. La investigación mostró que a medida que cambian las condiciones, diferentes modos de excitación pueden exhibir comportamientos específicos, ayudando a identificar qué tipos de interacciones y transiciones están ocurriendo.
El escalado crítico, una forma de describir cómo ciertas propiedades divergen cerca de la transición, puede llevar información significativa sobre la naturaleza del sistema. La presencia de modos suaves-estados de excitación que pueden cambiar fácilmente-también indica cuán cerca está el sistema del punto crítico.
Implicaciones y Estudios Futuros
Entender estas fases y comportamientos críticos puede ayudar a los investigadores a explorar nuevos materiales y fenómenos en la física cuántica, potencialmente llevando a aplicaciones en computación cuántica y otras tecnologías avanzadas. Los estudios futuros podrían involucrar examinar sistemas con diferentes números de componentes, investigar los efectos de la interacción entre luz y materia, o incluso cuestionar cómo responden estos sistemas a lo largo del tiempo.
Conclusión
En resumen, la exploración de fases de superradiancia frustrada a través del modelo de Dicke y sus variaciones ilumina las complejidades de las transiciones de fase cuánticas. Alterar el sistema mediante perturbaciones demuestra cuán delicados e interconectados pueden ser estos sistemas cuánticos, ofreciendo oportunidades para futuras investigaciones. Este campo sigue creciendo, brindando nuevas ideas sobre los comportamientos fundamentales de la materia a nivel cuántico.
Título: The Closed and Open Unbalanced Dicke Trimer Model: Critical Properties and Nonlinear Semiclassical Dynamics
Resumen: We study a generalization of a recently introduced Dicke trimer model [Phys. Rev. Lett. 128, 163601, Phys. Rev. Research 5, L042016], which allows for cavity losses and unbalanced light-matter interactions (in which rotating and counter-rotating terms can be tuned independently). We find that in the extreme unbalanced limit, the $U(1)$ symmetry of the Tavis-Cummings model is restored, qualitatively altering the critical phenomena in the superradiant phase due to the presence of a zero-energy mode. To analyze this general regime, we develop a semiclassical theory based on a re-quantization technique. This theory also provides further physical insight on a recently reported anomalous finite critical fluctuations in the time-reversal broken regime. Moving to the open-Dicke case, by introducing local dissipation to the cavities, we observe the emergence of a rich range of nonequilibrium phases characterized by trivial and non-trivial dynamical signatures. In the former case, we identify, when time-reversal symmetry is present, a new stationary phase that features superradiant states in two of the three cavities and a normal state in the other cavity. In the latter case, we observe the emergence of dynamical phases in which the system exhibits superradiant oscillations, characterized by periodic or chaotic phase space patterns. The landscape of transitions associated with these dynamical phases features a wide range of qualitatively different behaviours such as Hopf bifurcations, anomalous Hopf bifurcations, collisions between basins of attraction, and exterior crises. We highlight how the two-critical-scalings feature of the closed model is robust under dissipation while the phenomenon of anomalous finite critical fluctuations becomes a mean-field scaling in the open model.
Autores: Cheng Zhang, Pengfei Liang, Neill Lambert, Mauro Cirio
Última actualización: 2023-11-02 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2303.11758
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2303.11758
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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