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物理学院“极端光学研究创新团队”在PRL发表文章揭示微腔中的自发对称性破缺机制
日期: 2017-01-18  信息来源: 物理学院

长期以来,自发对称性破缺是希格斯机制、波色-爱因斯坦凝聚和超导物理等诸多重要领域的核心基础之一。日前,北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”肖云峰研究员和龚旗煌院士等首次在单个回音壁模式光学微腔中实现了自发对称性破缺,并揭示了其物理机制。这项研究成果发表在最新一期《物理评论快报》上【 Physical Review Letters 118, 033901 (2017) 】,文章题为“Experimental demonstration of spontaneous chirality in a nonlinear microresonator”。

自发对称性破缺是指物理系统保持原本的对称性,而其却选择了另一种不具备对称性的状态,它是很多相变过程和非互易系统的基本原理,例如,弱相互作用的宇称不守恒和希格斯机制均是自发对称性破缺的著名例子。回音壁模式光学微腔由于其固有的旋转对称性,可以支持一对简并的沿顺时针和逆时针传播的行波模式;同时,它具有超高的品质因子和很小的模式体积,可以极大地增强光和物质的相互作用,是研究对称性物理和非线性光学的理想平台。研究团队利用光学克尔效应,使微腔中相向传播、相等强度的行波光场之间发生交叉相位调制,从而产生了非线性耦合。因此,通过控制输入光强可以将这对行波场之间的等效耦合强度调制为零,使得系统中原本的对称状态不再稳定,自发地分裂为两个非对称的状态,实现了光场的自发对称性破缺。

 
左:实验用片上微腔;右:对称性破缺前后腔内行波方向及光场分布

在实验工作中,研究团队采用具有相同强度和偏振的双向输入光,来激发芯片上圆形微腔中的超高品质因子回音壁模式。当输入光功率很小时,系统状态保持原本的对称性,表现为顺时针和逆时针行波场的强度相等;随着输入光功率的增强,由交叉克尔效应引起的非线性耦合强度随之变大,当功率达到一定阈值(百微瓦量级)之后,系统会随机地进入一个顺时针倾向或逆时针倾向的状态,表现为自发对称性破缺。实验上,每个破缺状态中行波强度之比超过了20:1,实验数据与严格理论解析结果吻合。

回音壁模式光学微腔中自发对称性破缺的实现,为粒子物理、凝聚态物理中的自发对称性破缺的研究提供了良好的模拟平台;同时,它在不依赖复杂的结构和特殊的材料、不需要较高的激发光功率的情况下,即可产生对称性高度破缺的光场,有望成为片上光操控的新方法。该工作的合作单位包括中国科学技术大学、湖南师范大学和纽约城市大学。研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等的支持。

编辑:白杨


   
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