En electrodinámica cuántica, la elección del calibre (es decir, el formalismo matemático específico utilizado para regular los grados de libertad) puede influir en gran medida en la forma de las interacciones luz-materia. Curiosamente, sin embargo, El principio de "invariancia de calibre" implica que todos los resultados físicos deben ser independientes de la elección del calibre por parte del investigador. El modelo cuántico de Rabi, que se utiliza a menudo para describir las interacciones luz-materia en cavidad-QED, se ha encontrado que viola este principio en presencia de un acoplamiento ultrafuerte de luz-materia, y estudios anteriores han atribuido esta falla al truncamiento de niveles finitos del sistema de materia.

Un equipo de investigadores de RIKEN (Japón), La Università di Messina (Italia) y la Universidad de Michigan (EE. UU.) Han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga más a fondo este tema. En su papel publicado en Física de la naturaleza , identificaron la fuente de esta violación de calibre y proporcionaron un método para derivar hamiltonianos de materia ligera en espacios de Hilbert truncados, que puede producir resultados físicos invariantes en cuanto a calibre incluso en regímenes extremos de interacción luz-materia.

"El acoplamiento ultrafuerte entre la luz y la materia tiene, en la última decada, pasó de una idea teórica a una realidad experimental, "Salvatore Savasta, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Es un nuevo régimen de interacción cuántica luz-materia, que va más allá del acoplamiento débil y fuerte para hacer que la fuerza del acoplamiento sea comparable a las frecuencias de transición en el sistema. Estos regímenes, además de permitir nuevos e intrigantes efectos físicos, así como muchas aplicaciones potenciales, representa una oportunidad para profundizar nuestra comprensión de los aspectos sutiles de la interacción de la luz y la materia ".

Durante un evento organizado por el Prof. Franco Nori, que también participó en el estudio, el resto del equipo se enteró de la existencia de dos manuscritos que indicaban una ruptura de la invariancia de calibre del modelo cuántico de Rabi. Esta ruptura se produjo al considerar la interacción entre un sistema de dos niveles y un resonador electromagnético de modo único en presencia de una fuerte interacción átomo-campo.

"Dado que existe un interés cada vez mayor en el régimen de acoplamiento ultrafuerte de la QED de la cavidad y dado que la simetría de calibre es la piedra angular de la física moderna, consideramos que esta situación es muy insatisfactoria, ", Dijo Savasta." Estas ambigüedades de calibre determinan una falta parcial de previsibilidad de los modelos clave en QED de cavidad, que es un campo central en óptica cuántica y tecnologías cuánticas ".

Cuando los autores comenzaron a discutir estos problemas, Savasta recordó de repente uno de sus primeros trabajos de investigación, así como un estudio anterior realizado por su director de tesis Raffaello Girlanda en colaboración con Antonio Quattropani y Paolo Schwendimann. En este artículo en particular, los investigadores demostraron que, para preservar la invariancia de calibre de las tasas de transición de fotones múltiples en sólidos, Es necesario agregar un término correctivo a las interacciones estándar electrón-fotón.

"Empezamos a aplicar estas ideas a nuestro objetivo, que iba a derivar una descripción cuántica de la interacción luz-materia para interacciones arbitrarias fortalezas que estarían libres de ambigüedades de calibre, a pesar de las inevitables aproximaciones que suelen introducirse para gestionar los cálculos, "Dijo Savasta.

En física, el "principio de calibre" establece que a cada componente de la cantidad de movimiento en el hamiltoniano de un sistema de materia se debe agregar el componente correspondiente de la coordenada de campo. Este procedimiento se denomina "sustitución mínima del acoplamiento".

Savasta y sus colegas basaron su trabajo en observaciones recopiladas por estudios anteriores, que mostró que las aproximaciones en la descripción del sistema de materia pueden transformar el potencial atómico local en uno no local, que puede expresarse como operadores cuánticos dependiendo tanto de su posición como de su momento. En este caso, para satisfacer el principio de calibre, También es necesario aplicar un reemplazo mínimo de acoplamiento al potencial.

"Usamos una técnica de operador, desarrollado previamente por uno de los autores, que puede funcionar correctamente incluso si se desconoce el potencial no local real del sistema de materia, "Savasta explicó.

"Hasta ahora, la influencia de los potenciales no locales en la interacción se ha considerado solo hasta el segundo orden en el potencial vectorial. Descubrimos que cuando el sistema de materia es altamente no lineal y cuando la fuerza de acoplamiento es muy alta, todos los pedidos deben incluirse ".

El estudio realizado por Savasta y sus colegas ofrece una visión muy importante para el campo de la electrodinámica cuántica. Primero y más importante, su trabajo muestra que hay una manera sencilla de lograr una descripción invariante de calibre de la interacción luz-materia que sigue siendo válida a pesar de aproximaciones y con fuerzas de interacción extremas.

"Nuestros resultados arrojan luz sobre la invariancia de calibre en los regímenes no perturbadores y de interacción extrema, además de resolver controversias de larga duración que surgen de ambigüedades de calibre en los modelos cuánticos de Rabi y Dicke (una extensión del modelo cuántico de Rabi para muchos emisores cuánticos), "Dijo Savasta." Al hacerlo, permiten una predicción / descripción teórica precisa e inequívoca de los resultados experimentales en QED de cavidad ultralarga ".

Los hallazgos recopilados por este equipo de investigadores profundizan la comprensión actual de los aspectos cuánticos sutiles pero relevantes de la interacción entre la luz y la materia. También podrían ayudar a resolver controversias y debates en curso que surgen de observaciones pasadas de ambigüedades de calibre en los modelos cuánticos de Rabi y Dicke. En el futuro, los regímenes extremos en los que se centró su estudio podrían dar lugar a nuevos efectos físicos y aplicaciones, al mismo tiempo que desafía el conocimiento actual de los investigadores sobre QED de cavidades.

"Cuando la fuerza de la interacción es tan alta, cuestiones fundamentales como la definición adecuada de subsistemas y de sus medidas cuánticas, la estructura de los estados fundamentales híbridos de materia ligera, o el análisis de interacciones dependientes del tiempo están sujetos a ambigüedades que conducen a predicciones incluso cualitativas distintas, ", Dijo Savasta." Estos problemas ofrecen una oportunidad sin precedentes para profundizar aún más nuestra comprensión de los aspectos cuánticos de la interacción entre la luz y la materia. Ahora estamos trabajando activamente para resolver estos problemas ".

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