Figure 1 :Un potentiel effectif sous la forme d'un « chapeau mexicain » (à droite) conduit à une brisure spontanée de la symétrie. Les potentiels des deux côtés sont symétriques, mais la symétrie de l'état fondamental à droite est rompue spontanément. En classique, la balle roule jusqu'à un certain point du potentiel et sélectionne une direction, avec la symétrie chirale brisée. Crédit :Université de Pékin
La symétrie est la base essentielle de la nature, ce qui donne lieu à des lois de conservation. En comparaison, la brisure de la symétrie est également indispensable pour de nombreuses transitions de phase et processus non réciproques. Parmi divers phénomènes de brisure de symétrie, La rupture spontanée de la symétrie est au cœur de nombreuses propriétés fascinantes et fondamentales de la nature.
Très récemment, pour la première fois, une équipe dirigée par le professeur Xiao Yun-Feng de l'Université de Pékin (Chine), a collaboré avec l'Université des sciences et technologies de Chine, Hunan Normal University (Chine) et la City University of New York (USA), propose et démontre expérimentalement l'émergence d'une rupture de symétrie spontanée dans un microrésonateur à galerie de chuchotement à ultra-haut Q. Ce travail a été publié dans le dernier numéro de Lettres d'examen physique .
La brisure spontanée de la symétrie décrit un phénomène où les états physiques violent la variance sous-jacente du système, qui a été concerné dans divers domaines, tel que, physique de Higgs, condensats de Bose-Einstein, et supraconducteur. Pendant ce temps, la brisure spontanée de la symétrie dans un système optique présente également un grand potentiel pour l'étude de la physique fondamentale et des dispositifs photoniques à haute performance, lequel, cependant, est rarement réalisé.
Dans ce travail, les chercheurs ont observé une rupture spontanée de symétrie dans une microcavité de galerie de chuchotement optique. Les modes de la galerie des chuchotements sont analogues aux résonances acoustiques de la galerie des chuchotements de la cathédrale Saint-Paul de Londres et du mur d'écho du Temple du Ciel à Pékin. En raison de la faible perte de propagation et de la petite taille de ces microcavités, où les photons peuvent circuler à l'intérieur jusqu'à des millions de fois, les interactions lumière-matière sont ainsi considérablement améliorées. Surtout, un tel microrésonateur à galerie de chuchotement possède la symétrie de rotation intrinsèque, et prend en charge deux modes d'onde à propagation dégénérée :ondes dans le sens des aiguilles d'une montre (CW) et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (CCW), manifester la symétrie de ce système.
Figure 2 :Modèles de modes avant et après la brisure spontanée de la symétrie. Crédit :Université de Pékin
Dans ce travail, les physiciens appliquent l'effet Kerr optique du résonateur pour induire la brisure spontanée de la symétrie, où le changement de l'indice de réfraction est proportionnel à l'intensité de la lumière. "L'effet Kerr fournit un couplage non linéaire entre les ondes CW et CCW, qui dépend de la puissance d'entrée, " a déclaré Heming Wang, qui était un étudiant de premier cycle à l'Université de Pékin et est maintenant titulaire d'un doctorat. étudiant au California Institute of Technology. "Quand la puissance atteint un seuil, la force de couplage totale des deux ondes se propageant est modulée à zéro en raison des effets de modes croisés non linéaires cohérents, de sorte que l'état d'origine avec des composants CW et CCW équilibrés devienne instable, puis passe spontanément au régime de rupture de symétrie."
Dans l'expérience, un mode de galerie chuchotant avec un facteur Q ultra-élevé d'un microrésonateur de silice circulaire est excité. "Pour assurer la symétrie intrinsèque du système, nous utilisons les entrées bidirectionnelles avec la même puissance et polarisation, résultant en des intensités équilibrées des émissions CW et CCW à très faible puissance d'entrée, " dit Cao Qi-Tao, un doctorat étudiant à l'Université de Pékin. Lorsque la puissance d'entrée est supérieure à un seuil de quelques centaines de microwatts, la symétrie des ondes CW et CCW a été spontanément rompue avec une onde dominante se propageant soit dans le sens CW soit dans le sens CCW. "Notez que l'état d'origine entrerait au hasard dans les deux états de rupture de symétrie, et le rapport de sortie CW-à-CCW pourrait dépasser 20:1, " dit Cao.
"Cette réalisation expérimentale de brisure spontanée de symétrie dans une microcavité optique offre une plate-forme prometteuse pour les simulations optiques de la physique associée, " a déclaré le professeur Xiao. " De plus, non seulement une telle rupture spontanée de symétrie fournit un nouveau moyen de manipuler la lumière à l'échelle de la puce, mais aussi le mécanisme sous-jacent peut être appliqué aux ondes acoustiques, micro-ondes, et les systèmes dynamiques non linéaires en général."
