Instabilidade de Turing no ativador quântico

Oct 15, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15573 (2022) Citar este artigo

1307 Acessos

2 Citações

Detalhes das métricas

A instabilidade de Turing é um mecanismo fundamental de auto-organização fora do equilíbrio. No entanto, apesar da universalidade de seu mecanismo essencial, a instabilidade de Turing tem sido até agora investigada principalmente em sistemas clássicos. Neste estudo, mostramos que a instabilidade de Turing pode ocorrer em um sistema quântico dissipativo e analisamos suas características quânticas, como o emaranhamento e o efeito da medição. Propomos um oscilador paramétrico degenerado com amortecimento não linear em óptica quântica como uma unidade ativadora-inibidora quântica e demonstramos que um sistema de duas dessas unidades pode sofrer instabilidade de Turing quando acoplados de forma difusa entre si. A instabilidade de Turing induz a não uniformidade e emaranhamento entre as duas unidades e dá origem a um par de estados não uniformes que se misturam devido ao ruído quântico. A realização de medições contínuas no sistema acoplado revela a não uniformidade causada pela instabilidade de Turing. Nossos resultados estendem a universalidade do mecanismo de Turing para o reino quântico e podem fornecer uma nova perspectiva sobre a possibilidade de auto-organização de não-equilíbrio quântico e sua aplicação em tecnologias quânticas.

A natureza exibe uma variedade de ordens que são auto-organizadas por quebra espontânea de simetria causada por interações internas dentro de sistemas, como magnetização espontânea, crescimento de cristais e supercondutividade1,2,3. Em particular, sistemas abertos de não-equilíbrio podem suportar uma ampla variedade de padrões auto-organizados que não podem ocorrer em sistemas de equilíbrio, chamados de estruturas dissipativas. Exemplos de estruturas dissipativas incluem padrões de convecção de fluidos, oscilações de laser, ondas e padrões químicos e padrões e ritmos biológicos4,5,6. A auto-organização e a formação de padrões também foram estudadas em sistemas quânticos, como condensados ​​atômicos de Bose-Einstein e íons aprisionados7,8, sistemas optomecânicos9 e pontos quânticos10. A sincronização quântica11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22, que recentemente ganhou interesse crescente, também é um exemplo de auto-organização de não-equilíbrio quântico.

Em 1952, Turing mostrou que a diferença entre as difusividades de espécies químicas reativas pode desestabilizar estados estacionários uniformes e causar emergência espontânea de padrões periódicos não uniformes em sistemas espacialmente estendidos23. Em 1972, Gierer e Meinhardt forneceram uma explicação intuitiva da instabilidade de Turing, introduzindo o agora bem conhecido conceito de sistemas ativador-inibidor com auto-aprimoramento local e inibição de longo alcance24. Posteriormente, a instabilidade de Turing e os padrões resultantes foram estudados em vários sistemas, como aqueles submetidos a reações químicas25,26,27 ou morfogênese biológica28,29,30, populações ecológicas31,32,33 e sistemas ópticos não lineares34,35,36,37, 38,39,40. Padrões de Turing também foram investigados teoricamente em sistemas estocásticos41,42,43,44 e sistemas em rede45,46,47,48,49. A primeira realização experimental dos padrões de Turing foi alcançada em 199050, 40 anos após o artigo seminal de Turing, seguida pela primeira determinação experimental do diagrama de bifurcação51, usando a reação de ácido clorito-iodeto-malônico em um reator de gel. Progressos recentes e discussões modernas sobre a instabilidade de Turing foram revisados, por exemplo, na Ref.52 e incluem vários novos aspectos dos padrões de Turing, incluindo instabilidade em sistemas multiespécies53,54, influências do crescimento do domínio55,56,57,58 e efeitos de atraso e ruído59.

Desenvolvimentos recentes em nanotecnologia estimularam investigações teóricas e experimentais de instabilidade do tipo Turing e padrões em sistemas de micro e nanoescala, como ondas rebeldes em uma cavidade com moléculas de pontos quânticos60, meio Kerr vetorial61, geração de segundo harmônico intracavitário62, microrressonadores longitudinais63, Kerr -microrressonadores ativos64, microcavidades semicondutoras65 e uma monocamada de bismuto66. Portanto, a análise sistemática da possibilidade de instabilidade de Turing em sistemas quânticos está se tornando importante. Nessa direção de pesquisa, estudos pioneiros em sistemas ópticos não lineares, por exemplo, osciladores paramétricos ópticos38,39,40, têm considerado a possibilidade de formação de padrões via instabilidade do tipo Turing34 e discutido os efeitos de flutuações quânticas35 e compressão quântica36. No entanto, devido à dificuldade em lidar com uma hierarquia infinita de equações para produtos de operadores, a análise foi limitada ao caso que pode ser tratado via equação diferencial estocástica aproximada de campos clássicos sujeitos a flutuações quânticas37.