Desde 2015, alguns experimentos com cadeias de spins atômicos vêm demonstrando que sistemas desordenados e fora do equilíbrio podem se organizar em fases ordenadas, surgindo periodicamente ao longo do tempo. Esse comportamento aparece em sistemas quânticos sujeitos a uma força externa periódica, conhecidos como sistemas de Floquet. Transições de fase em sistemas de Floquet ganharam atenção recentemente pela possibilidade de darem origem ao estranho fenômeno dos “cristais temporais”, além de suas possíveis aplicações em metrologia e computação quântica. Agora, um estudo realizado na Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e publicado dia 12 de abril na revista Physical Review Letters demonstrou pela primeira vez que fases de Floquet também podem surgir em sistemas fotônicos, por meio de feixes laser aleatórios.
“Sabemos que hamiltonianas [funções ou operadores de energia que descrevem um sistema físico] que não dependem do tempo podem produzir uma estrutura de fases”, explica o físico Ernesto Raposo, autor do estudo em colaboração com seus colegas da UFPE, os físicos Antônio Murilo Macêdo, Leonardo Menezes e Anderson Gomes, junto com o pós-doutor Iván González e o aluno de doutorado Bismarck Lima, além do físico Raman Kashyap, professor da Polytechnique Montreal, no Canadá. “Por exemplo, uma hamiltoniana que tem acoplamentos com desordem aleatória e que levam à frustração magnética, podem levar a uma fase do tipo vidro de spin.”
Raposo se refere aos chamados vidros de spins, originalmente descobertos na década de 1970, quando pesquisadores observaram materiais magnéticos resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto com os spins de seus átomos fixos em direções aleatórias, em um tipo de desordem que lembra a estrutura microscópica de materiais como o vidro. Na década passada, foi demonstrada uma versão fotônica dos vidros de spins, em que as amplitudes dos modos das ondas eletromagnéticas de um laser é que se congelam em valores aleatórios. A equipe da UFPE vem estudando fases de vidros de spin com lasers aleatórios, um tipo especial de laser, cuja retroalimentação vem do espalhamento múltiplo dos fótons em um meio material desordenado, no caso, um fio de fibra óptica dopado com átomos de érbio.
Fases estruturadas como as do tipo vidros de spin tendem a desaparecer sempre que o funcionamento do laser aleatório é submetido a uma interação que varia com o tempo. “Na maioria dos casos, a estrutura de fases é completamente destruída”, diz Raposo. “Mas se as interações apresentarem oscilação periódica, pode ser que a estrutura de fases seja mantida, só que no sistema fora do equilíbrio”.
Para verificar isso, os pesquisadores construíram seu laser aleatório de modo que sua equação de movimento dependesse da intensidade do laser convencional utilizado como a fonte de fótons do sistema, o chamado laser de bombeamento. O estudo mostrou que, mesmo oscilando periodicamente a intensidade do laser de bombeamento, os fótons do laser aleatório se organizavam periodicamente em uma fase Floquet do tipo vidro de spin fora do equilíbrio. “As características da fase gerada oscilavam com a mesma frequência do laser de bombeamento”, diz Raposo.
Comparando os resultados dos experimentos com as previsões de um modelo teórico, o estudo realizado com financiamento das agências CNPq, CAPES e FACEPE ajuda a entender melhor como fases de Floquet podem surgir em sistemas físicos de maneira geral.
Artigo Científico
Evidence of a Floquet Phase in a Photonic System
Ernesto P. Raposo, Iván R. R. González, A. M. S. Macêdo, Bismarck C. Lima, Raman Kashyap, Leonardo S. Menezes e Anderson S. L. Gomes
Phys. Rev. Lett. 123, 143903 (2019)
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