Fysikere observerer spontan symmetri, der bryder i en optisk mikrohule

Symmetri er naturens væsentlige grundlag, hvilket giver anledning til bevaringslove. Sammenlignet med, brud på symmetrien er også uundværlig for mange faseovergange og ikke -gensidige processer. Blandt forskellige symmetri bryde fænomener, spontan symmetribrud ligger i hjertet af mange fascinerende og grundlæggende egenskaber ved naturen.

For nylig, for første gang, et team ledet af professor Xiao Yun-Feng ved Peking University (Kina), samarbejdede med University of Science and Technology of China, Hunan Normal University (Kina) og City University of New York (USA), foreslår og demonstrerer eksperimentelt fremkomsten af ​​spontan symmetri, der bryder i en mikroresonator med ultrahøj Q-hviskegalleri. Dette værk er blevet offentliggjort i det seneste nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

Spontan symmetribrud beskriver et fænomen, hvor fysiske tilstande krænker det underliggende i varians af systemet, der har været bekymret på forskellige områder, såsom, Higgs fysik, Bose-Einstein kondenserer, og superledende. I mellemtiden, spontan symmetribrud i et optisk system rummer også et stort potentiale for undersøgelse af grundlæggende fysik og højtydende fotoniske enheder, hvilken, imidlertid, er sjældent realiseret.

I dette arbejde, forskerne har observeret spontan symmetri, der bryder i en optisk hviskende gallerimikrohule. De hviskende gallerimetoder er analoge med de akustiske resonanser i det hviskende galleri i St. Paul Cathedral i London og ekkomuren i Himlens Tempel i Beijing. På grund af det lave spredningstab og den lille størrelse af sådanne mikrohuler, hvor fotoner kan cirkulere inde i op til millioner af gange, lys-stof-interaktioner forbedres således dramatisk. Vigtigere, sådan en hviskende gallerimikroresonator besidder den iboende rotationssymmetri, og understøtter to degenererede formeringsbølgetilstande:med uret (CW) og mod uret (CCW) bølger, manifesterer symmetrien i dette system.

I dette arbejde, fysikerne anvender resonatorens optiske Kerr -effekt for at fremkalde den spontane symmetribrud, hvor ændringen af ​​brydningsindekset er proportional med lysets intensitet. "Kerr -effekten giver en ikke -lineær kobling mellem CW- og CCW -bølgerne, som afhænger af indgangseffekten, "sagde Heming Wang, der var bachelor på Peking University og nu er ph.d. studerende ved California Institute of Technology. "Når strømmen når en tærskel, den samlede koblingsstyrke for de to formeringsbølger moduleres til nul på grund af de sammenhængende ikke-lineære tværgående virkninger, så den originale tilstand med afbalancerede CW- og CCW-komponenter bliver ustabil og derefter spontant overføres til det symmetri-afbrydende regime. "

I forsøget, en hviskende galleritilstand med en ultrahøj Q-faktor i en cirkulær silica-mikroresonator er begejstret. "For at sikre systemets iboende symmetri, vi bruger de tovejsindgange med identisk effekt og polarisering, hvilket resulterer i en afbalanceret intensitet af CW- og CCW -emissioner ved meget svag inputeffekt, "sagde Cao Qi-Tao, en ph.d. studerende ved Peking University. Når indgangseffekten er over en tærskel på et par hundrede mikrowatt, symmetrien af ​​CW- og CCW -bølger blev spontant brudt med en dominerende bølge, der forplantede sig i enten CW- eller CCW -retningen. "Bemærk, at den oprindelige tilstand tilfældigt ville indtaste de to symmetri-brydende tilstande, og CW-til-CCW outputforholdet kunne overstige 20:1, "sagde Cao.

"Denne eksperimentelle erkendelse af spontan symmetribrud i en optisk mikrohule tilbyder en lovende platform for optiske simuleringer af beslægtet fysik, "sagde prof. Xiao." Desuden er ikke alene giver sådan spontan symmetribrud et nyt middel til at manipulere lys på chipskalaen, men også den underliggende mekanisme kan anvendes på akustiske bølger, mikrobølger, og ikke -lineære dynamiske systemer generelt. "