Figura 1:Un potenziale effettivo sotto forma di "cappello messicano" (a destra) porta alla rottura spontanea della simmetria. I potenziali su entrambi i lati sono simmetrici, ma la simmetria dello stato fondamentale a destra è rotta spontaneamente. In classico, la pallina rotola fino a un certo punto del potenziale e seleziona una direzione, con la simmetria chirale rotta. Credito:Università di Pechino
La simmetria è la base essenziale della natura, che dà luogo a leggi di conservazione. In confronto, la rottura della simmetria è indispensabile anche per molte transizioni di fase e processi non reciproci. Tra i vari fenomeni di rottura della simmetria, la rottura spontanea della simmetria è al centro di molte proprietà affascinanti e fondamentali della natura.
Molto recentemente, per la prima volta, un team guidato dal professor Xiao Yun-Feng dell'Università di Pechino (Cina), ha collaborato con l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, Hunan Normal University (Cina) e la City University of New York (USA), propone e dimostra sperimentalmente l'emergere della rottura spontanea della simmetria in un microrisonatore a galleria di sussurro ad altissimo Q. Questo lavoro è stato pubblicato nel recente numero di Lettere di revisione fisica .
La rottura spontanea della simmetria descrive un fenomeno in cui gli stati fisici violano il sottostante in varianza del sistema, che si è occupata in diversi campi, come, fisica di Higgs, condensati di Bose-Einstein, e superconduttore. Nel frattempo, la rottura spontanea della simmetria in un sistema ottico possiede anche un grande potenziale per lo studio della fisica fondamentale e dei dispositivi fotonici ad alte prestazioni, quale, però, è raramente realizzato.
In questo lavoro, i ricercatori hanno osservato la rottura spontanea della simmetria in una microcavità della galleria del sussurro ottico. Le modalità della galleria dei sussurri sono analoghe alle risonanze acustiche nella galleria dei sussurri nella Cattedrale di St. Paul a Londra e nel muro dell'eco nel Tempio del Paradiso a Pechino. A causa della bassa perdita di propagazione e delle piccole dimensioni di tali microcavità, dove i fotoni possono circolare all'interno fino a milioni di volte, le interazioni luce-materia sono quindi notevolmente migliorate. È importante sottolineare che un tale microrisuonatore a galleria sussurrante possiede l'intrinseca simmetria di rotazione, e supporta due modalità di onda di propagazione degenerata:onde in senso orario (CW) e in senso antiorario (CCW), manifestando la simmetria di questo sistema.
Figura 2:Schemi di modalità prima e dopo la rottura spontanea della simmetria. Credito:Università di Pechino
In questo lavoro, i fisici applicano l'effetto ottico Kerr del risonatore per indurre la rottura spontanea della simmetria, dove la variazione dell'indice di rifrazione è proporzionale all'intensità della luce. "L'effetto Kerr fornisce un accoppiamento non lineare tra le onde CW e CCW, che dipende dalla potenza in ingresso, " ha detto Heming Wang, che era uno studente universitario all'Università di Pechino e ora ha un dottorato di ricerca. studente al California Institute of Technology. "Quando il potere raggiunge una soglia, la forza di accoppiamento totale delle due onde di propagazione è modulata a zero a causa degli effetti cross-mode coerenti non lineari, in modo che lo stato originale con componenti CW e CCW bilanciati diventi instabile e poi si trasferisca spontaneamente al regime di rottura della simmetria."
Nell'esperimento, una modalità galleria sussurrante con un fattore Q ultra alto di un microrisonatore circolare di silice è eccitato. "Per garantire la simmetria intrinseca del sistema, usiamo gli ingressi bidirezionali con la stessa potenza e polarizzazione, risultando nelle intensità bilanciate delle emissioni CW e CCW a una potenza di ingresso molto debole, " disse Cao Qi-Tao, un dottorato di ricerca studente all'Università di Pechino. Quando la potenza in ingresso è al di sopra di una soglia di poche centinaia di microwatt, la simmetria delle onde CW e CCW è stata rotta spontaneamente con un'onda dominante che si propagava in direzione CW o CCW. "Si noti che lo stato originale entrerebbe casualmente nei due stati di rottura della simmetria, e il rapporto di uscita CW-CCW potrebbe superare 20:1, " disse Cao.
"Questa realizzazione sperimentale della rottura spontanea della simmetria in una microcavità ottica offre una piattaforma promettente per le simulazioni ottiche della fisica correlata, " ha detto il prof. Xiao. "Inoltre, non solo tale rottura spontanea della simmetria fornisce un nuovo mezzo per manipolare la luce sulla scala del chip, ma anche il meccanismo sottostante può essere applicato alle onde acustiche, microonde, e sistemi dinamici non lineari in generale."
