Spontane symmetriebreking (SSB) is een natuurkundig fenomeen waarbij een symmetrisch systeem symmetrie-schendende toestanden produceert. Onlangs, uitgebreide studie toont aan dat het doorbreken van de pariteitssymmetrie in open systemen leidt tot uitzonderlijke punten, veelbelovend voor nieuwe toepassingen leasers en sensing.

In dit werk, de onderzoekers demonstreerden theoretisch spontane tijdomkeringssymmetrie (T-symmetrie) die breekt in een holte-kwantumelektrodynamicasysteem. Het systeem bestaat uit een ensemble van atomen met 2 niveaus in een holte. De atomen worden in de buurt van hun hoogste aangeslagen toestand gehouden en werken als een oscillator met een negatieve massa. De onderzoekers gebruiken de dipoolinteractie tussen de atomen en de holtemodus om de T-symmetrie te breken en om uitzonderlijke punten (EP's) te verkrijgen.

"De dipoolinteractie zorgt voor een lineaire koppeling tussen de collectieve beweging van de atomen en de holtemodus, " zei Yu-Kun Lu, die een student is aan de Universiteit van Peking. "Voor kleine koppelingssterkte, het systeem ondergaat harmonische oscillatie, die invariant is onder tijdomkering. Wanneer de koppelingssterkte een drempel bereikt, het systeem wordt onstabiel tegen het proces van paarproductie (annihilatie), en het excitatiegetal van de holtemodus en de atomen zullen met de tijd toenemen (afnemen), wat leidt tot het spontaan breken van de T-symmetrie." Het kritieke punt tussen de T-symmetrische en T-symmetrie gebroken fase blijkt een EP te zijn.

"Om het bestaan ​​van EP aan te tonen, we toonden de afhankelijkheid van de eigenfrequenties en de eigenmode van de holte-atoomontstemming, en we ontdekten dat ze samenvloeien op het kritieke punt, en zo bewees dat het een EP was, " zei Pai Peng, een voormalige student in de groep van Prof. Xiao en nu een Ph.D. aan het Massachusetts Institute of Technology. Bovendien, vanwege de unieke topologie van de EP, de dynamiek in de omgeving van de EP is robuust.

"Na een hele lus rond EP te hebben omcirkeld, de uiteindelijke toestand hangt alleen af ​​van de richting van de lus, maar niet van de vorm, en dus is het resultaat topologisch beschermd, " zei Qi-Tao Cao, een doctoraat aan de Universiteit van Peking.

"EP's werden vroeger uitsluitend in open systemen bestudeerd. De demonstratie van EP in het huidige systeem verbreedt het begrip van SSB en singulariteiten in de natuurkunde, " zei Prof. Xiao. "Afgezien van zijn fundamentele belang, spontane T-symmetriebreking zonder winst of verlies biedt ook een nieuw platform voor verschillende toepassingen, zoals detectie en kwantuminformatieverwerking."