Symmetrie is de essentiële basis van de natuur, die aanleiding geeft tot behoudswetten. In vergelijking, het doorbreken van de symmetrie is ook onmisbaar voor veel faseovergangen en niet-wederkerige processen. Onder verschillende symmetriebrekingsverschijnselen, spontane symmetriebreking ligt aan de basis van vele fascinerende en fundamentele eigenschappen van de natuur.

Zeer onlangs, Voor de eerste keer, een team onder leiding van professor Xiao Yun-Feng aan de Universiteit van Peking (China), werkte samen met de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China, Hunan Normal University (China) en de City University of New York (VS), stelt voor en demonstreert experimenteel de opkomst van spontane symmetriebreking in een microresonator met ultrahoge Q-fluistergalerij. Dit werk is gepubliceerd in het recente nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Spontane symmetriebreking beschrijft een fenomeen waarbij fysieke toestanden de onderliggende afwijking van het systeem schenden, die zich op verschillende terreinen bezighoudt, zoals, Higgs-fysica, Bose-Einstein condensaten, en supergeleidend. In de tussentijd, spontane symmetriebreking in een optisch systeem heeft ook een groot potentieel voor de studie van fundamentele fysica en krachtige fotonische apparaten, die, echter, wordt zelden gerealiseerd.

In dit werk, de onderzoekers hebben spontane symmetriebreking waargenomen in een microholte in een optische fluistergalerij. De fluistergalerijmodi zijn analoog aan de akoestische resonanties in de fluistergalerij in St. Paul Cathedral in Londen en de echomuur in de Temple of Heaven in Peking. Vanwege het lage voortplantingsverlies en de kleine omvang van dergelijke microholtes, waar fotonen tot miljoenen keren binnen kunnen circuleren, interacties tussen licht en materie worden dus drastisch verbeterd. belangrijk, zo'n fluistergalerij-microresonator bezit de intrinsieke rotatiesymmetrie, en ondersteunt twee gedegenereerde voortplantingsgolfmodi:met de klok mee (CW) en tegen de klok in (CCW) golven, manifesteert de symmetrie van dit systeem.

In dit werk, de natuurkundigen passen het optische Kerr-effect van de resonator toe om de spontane symmetriebreking te induceren, waarbij de verandering van de brekingsindex evenredig is met de intensiteit van het licht. "Het Kerr-effect zorgt voor een niet-lineaire koppeling tussen de CW- en CCW-golven, die afhangt van het ingangsvermogen, " zei Heming Wang, die een undergraduate was aan de Universiteit van Peking en nu een Ph.D. student aan het California Institute of Technology. "Als de kracht een drempel bereikt, de totale koppelsterkte van de twee voortplantende golven wordt gemoduleerd tot nul vanwege de coherente niet-lineaire cross-mode effecten, zodat de oorspronkelijke staat met gebalanceerde CW- en CCW-componenten onstabiel wordt en vervolgens spontaan overgaat in het symmetrie-brekende regime."

In het experiment, een fluisterende galerijmodus met een ultrahoge Q-factor van een cirkelvormige microresonator van siliciumdioxide wordt opgewekt. "Om de intrinsieke symmetrie van het systeem te waarborgen, we gebruiken de bidirectionele ingangen met hetzelfde vermogen en dezelfde polarisatie, resulterend in de evenwichtige intensiteiten van CW- en CCW-emissies bij een zeer zwak ingangsvermogen, " zei Cao Qi-Tao, een doctoraat student aan de Universiteit van Peking. Wanneer het ingangsvermogen een drempel van enkele honderden microwatts overschrijdt, de symmetrie van CW- en CCW-golven werd spontaan verbroken met een dominante golf die zich voortplant in de CW- of CCW-richting. "Merk op dat de oorspronkelijke toestand willekeurig de twee symmetriebrekende toestanden zou binnengaan, en de CW-naar-CCW-outputverhouding zou 20:1 kunnen overschrijden, ' zei Cao.

"Deze experimentele realisatie van spontane symmetriebreking in een optische microholte biedt een veelbelovend platform voor optische simulaties van verwante fysica, " zei prof. Xiao. "Bovendien, zo'n spontane symmetriebreking biedt niet alleen een nieuwe manier om licht op de chipschaal te manipuleren, maar ook het onderliggende mechanisme kan worden toegepast op akoestische golven, magnetrons, en niet-lineaire dynamische systemen in het algemeen."