Na eletrodinâmica quântica, a escolha do medidor (ou seja, formalismo matemático específico usado para regular os graus de liberdade) pode influenciar muito a forma de interações luz-matéria. Interessantemente, Contudo, o princípio da "invariância do medidor" implica que todos os resultados físicos devem ser independentes da escolha do medidor pelo pesquisador. O modelo quântico de Rabi, que é frequentemente usado para descrever as interações luz-matéria na cavidade-QED, foi encontrado para violar este princípio na presença de acoplamento ultra-forte luz-matéria, e estudos anteriores atribuíram essa falha ao truncamento de nível finito do sistema de matéria.

Uma equipe de pesquisadores da RIKEN (Japão), A Università di Messina (Itália) e a Universidade de Michigan (EUA) realizaram recentemente um estudo investigando ainda mais este tópico. Em seu jornal, publicado em Física da Natureza , eles identificaram a fonte desta violação do medidor e forneceram um método para derivar Hamiltonianos de matéria leve em espaços de Hilbert truncados, que pode produzir resultados físicos invariantes em calibre, mesmo em regimes extremos de interação luz-matéria.

"O acoplamento ultraforte entre a luz e a matéria tem, na década passada, fez a transição de uma ideia teórica para uma realidade experimental, "Salvatore Savasta, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "É um novo regime de interação quântica de luz-matéria, que vai além do acoplamento forte e fraco para tornar a força do acoplamento comparável às frequências de transição no sistema. Esses regimes, além de permitir novos efeitos físicos intrigantes, bem como muitas aplicações potenciais, representa uma oportunidade de aprofundar nossa compreensão dos aspectos sutis da interação da luz e da matéria. "

Durante evento organizado pelo Prof. Franco Nori, que também estava envolvido no estudo, o resto da equipe soube da existência de dois manuscritos que indicavam uma quebra da invariância de calibre do modelo quântico de Rabi. Essa quebra ocorreu ao considerar a interação entre um sistema de dois níveis e um ressonador eletromagnético monomodo na presença de uma forte interação átomo-campo.

"Uma vez que há um interesse crescente no regime de acoplamento ultra forte da cavidade QED e uma vez que a simetria de calibre é a pedra angular da física moderna, consideramos esta situação muito insatisfatória, "Savasta disse." Essas ambigüidades de calibre determinam uma falta parcial de previsibilidade dos modelos-chave na cavidade QED, que é um campo central em óptica quântica e tecnologias quânticas. "

Quando os autores começaram a discutir esses problemas, Savasta de repente se lembrou de um de seus primeiros trabalhos de pesquisa, bem como um estudo mais antigo realizado por seu orientador de tese Raffaello Girlanda em colaboração com Antonio Quattropani e Paolo Schwendimann. Neste artigo específico, os pesquisadores mostraram que, a fim de preservar a invariância de calibre das taxas de transição de multi-fótons em sólidos, um termo corretivo precisa ser adicionado às interações elétron-fóton padrão.

"Começamos a aplicar essas ideias ao nosso objetivo, que deveria derivar uma descrição quântica da interação luz-matéria para intensidades de interações arbitrárias que estariam livres de ambigüidades de calibre, apesar da aproximação inevitável que geralmente é introduzida para gerenciar cálculos, "Savasta disse.

Na física, o "princípio de calibre" afirma que a cada componente de momento no hamiltoniano de um sistema de matéria é necessário adicionar o componente correspondente da coordenada de campo. Este procedimento é conhecido como "substituição mínima do acoplamento".

Savasta e seus colegas basearam seu trabalho em observações obtidas em estudos anteriores, que mostrou que aproximações na descrição do sistema de matéria podem transformar o potencial atômico local em um não local, que podem ser expressos como operadores quânticos, dependendo de sua posição e momento. Nesse caso, para satisfazer o princípio do medidor, a substituição mínima do acoplamento também precisa ser aplicada ao potencial.

"Usamos uma técnica de operador, previamente desenvolvido por um dos autores, que é capaz de funcionar corretamente mesmo se o potencial não local real do sistema de matéria for desconhecido, "Savasta explicou.

"Até agora, a influência de potenciais não locais na interação foi considerada apenas até a segunda ordem no potencial vetorial. Descobrimos que quando o sistema de matéria é altamente não linear e quando a força de acoplamento é muito alta, todas as ordens devem ser incluídas. "

O estudo realizado por Savasta e seus colegas oferece uma visão muito importante para o campo da eletrodinâmica quântica. Em primeiro lugar e mais importante, seu trabalho mostra que há uma maneira simples de obter uma descrição invariante de calibre da interação luz-matéria que permanece válida apesar das aproximações e com forças de interação extremas.

"Nossos resultados lançam luz sobre a invariância de calibre nos regimes não perturbativos e de interação extrema, bem como resolver controvérsias duradouras decorrentes de ambigüidades de calibre nos modelos quânticos Rabi e Dicke (uma extensão do modelo quântico Rabi para muitos emissores quânticos), "Savasta disse." Ao fazer isso, eles permitem uma previsão / descrição teórica precisa e inequívoca de resultados experimentais em cavidades QED ultrastongas. "

As descobertas reunidas por esta equipe de pesquisadores aprofundam a compreensão atual dos aspectos quânticos sutis, mas relevantes, da interação entre a luz e a matéria. Eles também podem ajudar a resolver as controvérsias e debates em curso decorrentes de observações anteriores de ambigüidades de calibre nos modelos quânticos de Rabi e Dicke. No futuro, os regimes extremos em que seu estudo se concentrou podem dar origem a novos efeitos físicos e aplicações, ao mesmo tempo em que desafia o conhecimento atual dos pesquisadores sobre cavidade-QED.

"Quando a força de interação é tão alta, questões fundamentais como a definição adequada dos subsistemas e de suas medições quânticas, a estrutura dos estados fundamentais híbridos de matéria leve, ou a análise de interações dependentes do tempo estão sujeitas a ambigüidades que levam até mesmo a previsões distintas qualitativas, "Savasta disse." Esses problemas oferecem uma chance sem precedentes para aprofundar ainda mais nossa compreensão dos aspectos quânticos da interação entre a luz e a matéria. Agora estamos trabalhando ativamente para resolver esses problemas. "

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