Symmetri är naturens grundläggande grund, vilket ger upphov till bevarande lagar. I jämförelse, brytningen av symmetrin är också oumbärlig för många fasövergångar och icke -ömsesidiga processer. Bland olika symmetribrytande fenomen, spontan symmetribrytning ligger i hjärtat av många fascinerande och grundläggande egenskaper hos naturen.

Väldigt nyligen, för första gången, ett team som leds av professor Xiao Yun-Feng vid Peking University (Kina), samarbetade med University of Science and Technology of China, Hunan Normal University (Kina) och City University of New York (USA), föreslår och demonstrerar experimentellt uppkomsten av spontan symmetri som bryts i en mikroresonator med ultrahög Q-viskningsgalleri. Detta arbete har publicerats i det senaste numret av Fysiska granskningsbrev .

Spontant symmetribrott beskriver ett fenomen där fysiska tillstånd bryter mot systemets underliggande varians, som har varit bekymrad på olika områden, Till exempel, Higgs fysik, Bose-Einstein kondenserar, och supraledande. Under tiden, spontan symmetri som bryts i ett optiskt system har också en stor potential för att studera grundläggande fysik och högpresterande fotoniska enheter, som, dock, inses sällan.

I det här arbetet, forskarna har observerat spontan symmetri som bryts i ett optiskt viskande galleri mikrokavitet. De viskande gallerilägena är analoga med de akustiska resonanserna i det viskande galleriet i St. Paul -katedralen i London och ekoväggen i Himmelens tempel i Peking. På grund av den låga förökningsförlusten och den lilla storleken på sådana mikrohålrum, där fotoner kan cirkulera inuti upp till miljoner gånger, interaktioner mellan ljus och materia förbättras således dramatiskt. Viktigt, en sådan viskande gallerimikroresonator har den inneboende rotationssymmetrin, och stöder två degenererade förökningsvågslägen:medurs (CW) och moturs (CCW) vågor, visar symmetrin i detta system.

I det här arbetet, fysikerna tillämpar resonatorns optiska Kerr-effekt för att framkalla det spontana symmetribrott, där förändringen av brytningsindex är proportionell mot ljusintensiteten. "Kerr-effekten ger en olinjär koppling mellan CW- och CCW-vågorna, som beror på ineffekten, sa Heming Wang, som var kandidatexamen vid Peking University och nu är doktorand. student vid California Institute of Technology. "När strömmen når en tröskel, den totala kopplingsstyrkan för de två förökande vågorna moduleras till noll på grund av de koherenta olinjära tvärlägeseffekterna, så att originalläget med balanserade CW- och CCW-komponenter blir instabilt och sedan spontant övergår till den symmetribrytande regimen. "

I experimentet, ett viskande galleriläge med en ultrahög Q-faktor i en cirkulär kiseldioxidmikroresonator är upphetsad. "För att säkerställa systemets inneboende symmetri, vi använder dubbelriktade ingångar med samma effekt och polarisering, vilket resulterar i en balanserad intensitet av CW- och CCW -utsläpp vid mycket svag ingångseffekt, "sa Cao Qi-Tao, en Ph.D. student vid Peking University. När ingångseffekten ligger över ett tröskelvärde på några hundra mikrovatt, symmetrin för CW- och CCW -vågor bröts spontant med en dominerande våg som förökade sig antingen i CW- eller CCW -riktningen. "Observera att det ursprungliga tillståndet slumpmässigt skulle komma in i de två symmetribrytande tillstånden, och CW-till-CCW-utmatningsförhållandet kan överstiga 20:1, "sa Cao.

"Denna experimentella insikt om spontan symmetri som bryts i en optisk mikrokavitet erbjuder en lovande plattform för optiska simuleringar av relaterad fysik, " sade prof. Xiao. "Dessutom, inte bara ger sådan spontan symmetribrytning ett nytt sätt att manipulera ljus på chipskalan, men också den underliggande mekanismen kan appliceras på akustiska vågor, mikrovågor, och icke-linjära dynamiska system i allmänhet."