Discovery of a non-Hermitian phase transition in a bulk condensed-matter system

Nel mondo della fisica, i materiali solitamente si assestano in uno stato di equilibrio. Quando un magnete si raffredda, i suoi atomi interni si allineano in un ordine specifico e il materiale cambia le sue proprietà in modo prevedibile. Questa è una transizione di fase, un cambiamento fondamentale che avviene mentre il sistema rimane in equilibrio termico, uno stato in cui l'energia è distribuita uniformemente e le leggi della fisica appaiono uguali sia che il tempo scorra in avanti che all'indietro. Per decenni, gli scienziati hanno studiato queste transizioni per capire come la materia si comporta sotto diverse condizioni, dal congelamento dell'acqua alla superconduttività dei metalli. Tuttavia, la natura possiede anche stati molto lontani da questo calmo equilibrio. Quando un sistema viene spinto con forza da una forza esterna, come un lampo di luce, può entrare in uno stato caotico, fuori dall'equilibrio, dove l'energia viene costantemente immessa e persa. In queste condizioni estreme, le solite regole di simmetria si interrompono, aprendo la porta a del tutto nuovi tipi di comportamento che non possono esistere in un sistema tranquillo e a riposo.

Un team di ricercatori ha ora catturato uno di questi elusivi comportamenti in un blocco solido di materiale, una scoperta che colma il divario tra la fisica teorica e il mondo tangibile della materia condensata. Lavorando con un cristallo di ossido di europio, un semiconduttore ferromagnetico, gli scienziati hanno utilizzato impulsi laser ultrafast per scuotere il materiale fuori dal suo stato di equilibrio. Misurando attentamente come il cristallo rifletteva la luce nel tempo, hanno osservato un drastico cambiamento nel modo in cui il materiale tornava a riposo. A determinate temperature, la risposta del materiale è cambiata da un decadimento semplice e prevedibile in un modello oscillante complesso che sfida le solite regole della fisica dell'equilibrio. Questa transizione segna l'arrivo di una transizione di fase non ermitiana, un fenomeno in cui la natura stessa della dinamica del materiale cambia in un punto critico, creando un nuovo stato della materia definito dal suo movimento piuttosto che dalla sua struttura statica.

L'esperimento si è svolto in un laboratorio dove un singolo cristallo di ossido di europio è stato raffreddato a varie temperature, che vanno da vicino allo zero assoluto fino alla temperatura ambiente. I ricercatori hanno sparato un impulso di luce laser breve e intenso sul cristallo, che ha agito come un martello che colpisce una campana, scuotendo gli elettroni dalle loro posizioni stabili e inviandoli in uno stato di energia superiore. Ciò ha creato una popolazione temporanea di particelle eccitate all'interno del materiale. Per vedere cosa sarebbe successo dopo, hanno sparato un secondo impulso di luce, più debole, al cristallo una frazione infinitesimale di secondo dopo, misurando quanta luce rimbalzava indietro. Ripetendo questo processo con diversi ritardi temporali e a diverse temperature, hanno costruito un film del processo di recupero del materiale.

A temperature più basse, il cristallo si comportava in un modo familiare ai fisici. Gli elettroni eccitati tornavano al loro stato fondamentale attraverso due percorsi distinti e indipendenti, facendo sì che il segnale di luce riflessa svanisse in una curva a doppia esponenziale fluida. Questo è il comportamento tipico di un sistema in cui l'energia si dissipa in modo diretto. Tuttavia, man mano che i ricercatori alzavano la temperatura, si verificava una strana trasformazione. A una soglia specifica di 84 Kelvin, i due percorsi di decadimento separati si fondevano improvvisamente in uno solo. Invece di svanire dolcemente, il segnale iniziava a oscillare, salendo e scendendo in un modello complesso che poteva essere descritto solo da un singolo tasso di decadimento complesso. Questo punto critico, in cui i due distinti modi di comportamento collassano in uno solo, è noto come punto eccezionale, e segnala l'inizio di una transizione di fase non ermitiana.

I ricercatori sono stati attenti a escludere altre possibili spiegazioni per questo strano comportamento. Hanno considerato se il segnale negativo osservato potesse essere causato da effetti comuni come la ricombinazione di elettroni e lacune in un modo che riduce il numero di particelle emettitrici di luce, o da vibrazioni nel reticolo cristallino. Hanno scoperto che nessuno di questi meccanismi standard poteva spiegare il modo specifico in cui il segnale cambiava con la temperatura o con l'intensità dell'impulso laser. L'unico modello che si adattava perfettamente ai dati era uno che teneva conto l'interazione unica tra gli elettroni eccitati e i momenti magnetici degli atomi di europio. In questo modello, gli elettroni eccitati possono invertire il proprio spin, trasformandosi in uno stato "oscuro" che non può emettere luce, e poi invertire nuovamente. L'equilibrio tra questi due stati è influenzato dalla temperatura e, al punto critico, il sistema perde la capacità di distinguere tra i due, portando alla dinamica complessa osservata.

Questa scoperta è significativa perché dimostra che queste esotiche transizioni di fase non sono solo curiosità teoriche confinate in sistemi minuscoli e isolati come atomi nel vuoto o fotoni in una cavità. Possono verificarsi in un solido massiccio, un materiale che potresti tenere in mano. Lo studio mostra che, guidando un materiale lontano dall'equilibrio, gli scienziati possono accedere a un nuovo regime della fisica in cui la dinamica del sistema è governata da regole diverse. La transizione avviene a una temperatura distinta dal punto di ordinamento magnetico abituale del materiale, suggerendo che questi due fenomeni, pur essendo correlati, siano fondamentalmente diversi. I ricercatori hanno scoperto che il punto in cui avviene questa transizione non è fisso; può essere spostato cambiando l'intensità dell'impulso laser, offrendo un modo per sintonizzare le proprietà del materiale con la luce.

Le implicazioni di questo lavoro si estendono oltre il cristallo specifico utilizzato nell'esperimento. Il quadro teorico sviluppato dal team suggerisce che transizioni simili potrebbero esistere in una vasta gamma di altri materiali che possiedono componenti accoppiate, come diversi tipi di eccitazioni o spin. Se queste transizioni possono essere controllate, potrebbero fornire un modo altamente sensibile per manipolare le proprietà dinamiche dei materiali, portando potenzialmente a nuove tecnologie per il controllo della luce e del magnetismo. Per ora, la scoperta rappresenta una chiara dimostrazione che le leggi della fisica che governano il mondo calmo e bilanciato dell'equilibrio sono solo una parte della storia. Nel mondo caotico e guidato del non-equilibrio, la materia può assumere nuove forme, rivelando comportamenti che sono ricchi e complessi quanto i materiali stessi.