A simetria é a base essencial da natureza, que dá origem às leis de conservação. Em comparação, a quebra da simetria também é indispensável para muitas transições de fase e processos não recíprocos. Entre vários fenômenos de quebra de simetria, a quebra espontânea de simetria está no cerne de muitas propriedades fascinantes e fundamentais da natureza.

Muito recentemente, pela primeira vez, uma equipe liderada pelo professor Xiao Yun-Feng na Universidade de Pequim (China), colaborou com a Universidade de Ciência e Tecnologia da China, Hunan Normal University (China) e City University of New York (EUA), propõe e demonstra experimentalmente o surgimento de quebra espontânea de simetria em um microrressonador de galeria sussurrante de Q ultra-alto. Este trabalho foi publicado na edição recente da Cartas de revisão física .

A quebra espontânea de simetria descreve um fenômeno onde os estados físicos violam a variação subjacente do sistema, que tem se preocupado em diversos campos, tal como, Física de Higgs, Condensados ​​de Bose-Einstein, e supercondutor. Enquanto isso, quebra espontânea de simetria em um sistema óptico também possui grande potencial para o estudo da física fundamental e dispositivos fotônicos de alto desempenho, que, Contudo, raramente é realizado.

Nesse trabalho, os pesquisadores observaram quebra espontânea de simetria em uma microcavidade de galeria ótica que sussurrava. Os modos de galeria sussurrante são análogos às ressonâncias acústicas na galeria sussurrante da Catedral de São Paulo em Londres e à parede de eco no Templo do Céu em Pequim. Devido à baixa perda de propagação e ao pequeno tamanho de tais microcavidades, onde os fótons podem circular internamente por até milhões de vezes, as interações luz-matéria são, portanto, dramaticamente aprimoradas. Mais importante, tal microrressonador de galeria sussurrante possui a simetria de rotação intrínseca, e suporta dois modos de propagação de ondas degeneradas:ondas no sentido horário (CW) e anti-horário (CCW), manifestando a simetria deste sistema.

Nesse trabalho, os físicos aplicam o efeito óptico de Kerr do ressonador para induzir a quebra espontânea de simetria, onde a mudança do índice de refração é proporcional à intensidade da luz. "O efeito Kerr fornece um acoplamento não linear entre as ondas CW e CCW, que depende da potência de entrada, "disse Heming Wang, que era graduando na Universidade de Pequim e agora é Ph.D. estudante do California Institute of Technology. "Quando o poder atinge um limite, a força de acoplamento total das duas ondas de propagação é modulada para zero devido aos efeitos de modo cruzado não linear coerente, de modo que o estado original com componentes CW e CCW balanceados torna-se instável e, em seguida, transfere-se espontaneamente para o regime de quebra de simetria. "

No experimento, um modo de galeria sussurrante com um fator Q ultra-alto de um microrressonador circular de sílica está animado. “Para garantir a simetria intrínseca do sistema, usamos as entradas bidirecionais com a mesma potência e polarização, resultando nas intensidades equilibradas de emissões CW e CCW com uma potência de entrada muito fraca, "disse Cao Qi-Tao, um Ph.D. estudante da Universidade de Pequim. Quando a potência de entrada está acima de um limite de algumas centenas de microwatts, a simetria das ondas CW e CCW foi quebrada espontaneamente com uma onda dominante propagando-se na direção CW ou CCW. "Observe que o estado original entraria aleatoriamente nos dois estados de quebra de simetria, e a relação de saída CW-para-CCW pode exceder 20:1, "disse Cao.

"Esta realização experimental de quebra espontânea de simetria em uma microcavidade óptica oferece uma plataforma promissora para simulações ópticas de física relacionada, "disse o Prof. Xiao." Além disso, não só essa quebra espontânea de simetria fornece um novo meio de manipular a luz na escala do chip, mas também o mecanismo subjacente pode ser aplicado a ondas acústicas, microondas, e sistemas dinâmicos não lineares em geral. "