Figura 1:Un potencial efectivo en forma de 'sombrero mexicano' (derecha) conduce a una ruptura espontánea de la simetría. Los potenciales en ambos lados son simétricos, pero la simetría del estado fundamental de la derecha se rompe espontáneamente. En clásico, la bola rueda hasta cierto punto en el potencial y selecciona una dirección, con la simetría quiral rota. Crédito:Universidad de Pekín
La simetría es la base esencial de la naturaleza, lo que da lugar a leyes de conservación. En comparación, la ruptura de la simetría también es indispensable para muchas transiciones de fase y procesos no recíprocos. Entre varios fenómenos de ruptura de simetría, La ruptura espontánea de la simetría se encuentra en el corazón de muchas propiedades fascinantes y fundamentales de la naturaleza.
Muy recientemente, por primera vez, un equipo dirigido por el profesor Xiao Yun-Feng en la Universidad de Pekín (China), colaboró con la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hunan Normal University (China) y City University of New York (EE. UU.), propone y demuestra experimentalmente el surgimiento de la ruptura espontánea de la simetría en un microrresonador de galería susurrante de Q ultra alta. Este trabajo ha sido publicado en el número reciente de Cartas de revisión física .
La ruptura espontánea de la simetría describe un fenómeno en el que los estados físicos violan la variación subyacente del sistema, que se viene preocupando en diversos campos, tal como, Física de Higgs, Condensados de Bose-Einstein, y superconductor. Mientras tanto, La ruptura espontánea de la simetría en un sistema óptico también tiene un gran potencial para el estudio de la física fundamental y los dispositivos fotónicos de alto rendimiento. cuales, sin embargo, rara vez se realiza.
En este trabajo, Los investigadores han observado la ruptura espontánea de la simetría en una microcavidad de galería susurrante óptica. Los modos de galería de susurros son análogos a las resonancias acústicas en la galería de susurros en la Catedral de St. Paul en Londres y el muro de eco en el Templo del Cielo en Beijing. Debido a la baja pérdida de propagación y al pequeño tamaño de tales microcavidades, donde los fotones pueden circular en el interior hasta millones de veces, Las interacciones luz-materia se mejoran así dramáticamente. En tono rimbombante, tal microrresonador de galería susurrante posee la simetría de rotación intrínseca, y admite dos modos de onda de propagación degenerados:ondas en sentido horario (CW) y antihorario (CCW), manifestando la simetría de este sistema.
Figura 2:Patrones de moda antes y después de la ruptura espontánea de la simetría. Crédito:Universidad de Pekín
En este trabajo, los físicos aplican el efecto óptico Kerr del resonador para inducir la ruptura espontánea de la simetría, donde el cambio del índice de refracción es proporcional a la intensidad de la luz. "El efecto Kerr proporciona un acoplamiento no lineal entre las ondas CW y CCW, que depende de la potencia de entrada, "dijo Heming Wang, quien era un estudiante de la Universidad de Pekín y ahora es un Ph.D. estudiante del Instituto de Tecnología de California. "Cuando la energía alcanza un umbral, la fuerza de acoplamiento total de las dos ondas que se propagan se modula a cero debido a los efectos de modo cruzado no lineales coherentes, de modo que el estado original con componentes equilibrados de CW y CCW se vuelve inestable y luego se transfiere espontáneamente al régimen de ruptura de simetría ".
En el experimento, se excita un modo de galería susurrante con un factor Q ultra alto de un microrresonador de sílice circular. "Para garantizar la simetría intrínseca del sistema, utilizamos las entradas bidireccionales con la misma potencia y polarización, dando como resultado intensidades equilibradas de emisiones CW y CCW con una potencia de entrada muy débil, "dijo Cao Qi-Tao, un doctorado estudiante de la Universidad de Pekín. Cuando la potencia de entrada está por encima de un umbral de unos cientos de microvatios, la simetría de las ondas CW y CCW se rompió espontáneamente con una onda dominante que se propagaba en la dirección CW o CCW. "Tenga en cuenta que el estado original entraría aleatoriamente en los dos estados que rompen la simetría, y la relación de salida CW-CCW podría exceder 20:1, "dijo Cao.
"Esta realización experimental de la ruptura espontánea de la simetría en una microcavidad óptica ofrece una plataforma prometedora para las simulaciones ópticas de la física relacionada, ", dijo el profesor Xiao." Además, tal ruptura espontánea de la simetría no solo proporciona un nuevo medio para manipular la luz en la escala del chip, pero también el mecanismo subyacente se puede aplicar a las ondas acústicas, microondas y sistemas dinámicos no lineales en general ".
