I fisici del NUS hanno scoperto un comportamento teorico noto come "effetto pelle critico" che influenza il modo in cui si verificano i cambiamenti tra le diverse fasi della materia.

Le transizioni di fase sono onnipresenti nel mondo che ci circonda, che comprende processi comuni come il congelamento e l'evaporazione. Di particolare interesse sono le transizioni di fase del secondo ordine, dove il sistema al punto di transizione raggiunge un cosiddetto stato critico caratterizzato da ordine a lungo raggio ed estrema suscettibilità ai disturbi. Un esempio paradigmatico è la transizione ferromagnetica, dove gli spin cluster correlati diventano sempre più grandi quando la temperatura si abbassa, finché non si uniscono in un'unica fase ordinata con tutti gli spin che puntano nella stessa direzione. Per il suo fascino universale e intuitivo, il concetto di criticità ha permeato anche altri campi come la modellizzazione dei crolli dei mercati finanziari. Come concetto teorico, la criticità ha anche ispirato progressi in argomenti profondi come la teoria del campo conforme, percolazione e frattali.

Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. GONG Jiangbin e dal Prof. LEE Ching Hua, sia dal Dipartimento di Fisica, NUS ha scoperto una nuova forma di comportamento critico noto come "Critical Skin Effect" (vedi figura). Questa scoperta estende l'ambito delle note transizioni di fase critica a sistemi di non equilibrio che, a differenza dei sistemi di equilibrio convenzionali governati dall'evoluzione temporale unitaria, sono sistemi aperti che subiscono guadagni o perdite a causa delle loro interazioni esterne. Ultimamente, è stato ampiamente riconosciuto che i sistemi di non equilibrio possono sperimentare un'amplificazione drammatica diretta a lungo raggio che cambia la natura qualitativa del sistema, in un nuovo fenomeno noto come effetto pelle non hermitiana (NHSE). Ciò ha ispirato il gruppo di ricerca, che include il Dr. LI Linhu (che di recente è entrato a far parte della Sun Yat-sen University (Zhuhai), Cina) e il signor MU Sen (dottorando), chiedersi come l'interazione tra il NHSE e lo stato critico possa portare a una nuova fisica.

Il team ha scoperto che in un sistema di non equilibrio, anche la modifica delle dimensioni del sistema può influire profondamente sul suo stato. Ad esempio, un sistema può essere isolante (gapped) a piccole dimensioni, ma metallico (gapless) a dimensioni maggiori. O, può possedere modalità topologiche per determinate dimensioni del sistema ma non per altre. Questa osservazione è controintuitiva, poiché in genere non ci aspettiamo che l'introduzione di ulteriori siti cambi la natura qualitativa dello stato, proprio come un magnete non dovrebbe smagnetizzarsi spontaneamente se lo tagliamo a metà. Per di più, il concetto stesso di limite termodinamico è ora messo in discussione, poiché esiste una nuova classe di stati che sarà invariabilmente alterata all'aumentare della dimensione del sistema all'infinito.

Prof Lee, che per primo ha unito i puntini tra le prove numeriche apparentemente paradossali, spiegato, "L'"effetto pelle critica" provoca un cambiamento di paradigma nel modo in cui pensiamo al comportamento critico e all'ordine a lungo raggio. Quando gli effetti di non equilibrio contribuiscono con la loro quota di influenze a lungo raggio, siamo costretti a riformulare certi concetti solitamente dati per scontati, come la cosiddetta zona di Brillouin generalizzata".

interessante, gli stati critici della pelle possono persino esibire un comportamento privo di scaglie mentre decadono esponenzialmente nello spazio, contrariamente agli stati critici convenzionali che sono quasi sinonimo di decadimento spaziale della legge di potenza. Possiedono anche un insolito comportamento entropico di entanglement dipendente dalle dimensioni, approcci consueti impegnativi per caratterizzare gli stati critici attraverso il loro ridimensionamento entropico dell'entanglement.

Il professor Gong ha detto, "Negli ultimi anni, gli studi sui fenomeni non hermitiani dal punto di vista della fisica della materia condensata sono aumentati in modo significativo. Dato che anche un concetto ben noto come gli stati critici può ora assumere nuovi significati, non possiamo permetterci di limitare la nostra immaginazione su ciò che può venire dopo".

Al di là del suo interesse teorico, questa scoperta è rilevante anche per le applicazioni dei dispositivi di rilevamento e commutazione. Ad esempio, un circuito di rilevamento può essere programmato per rilevare diversi tipi di segnali poiché la sua lunghezza effettiva viene variata tramite interruttori. Come prova di principio, il team sta attualmente pianificando di dimostrare questo nuovo tipo di transizione di fase critica attraverso circuiti elettronici RLC, dove lo spettro dettagliato può essere mappato attraverso misure di impedenza "topoelettriche".