耦合光学腔中的自发对称性破缺现象

一束激光对称地照射两个相同的耦合光学腔，光学腔是含缺孔的并被红色孔包围的灰色区域。在临界光强度之上，微小的扰动会自发地破坏系统的对称性；绿色孔柱是对称轴。一旦对称性被打破，两个光学腔中的其中一个变得比另一个更亮，这种情况类似于粒子位于双阱势的不稳定点上；一个微小的振动会导致它自发地落在两个势井中的任何一个上。图片来源：Alejandro Yacomotti 和 Said RK Rodriguez

       在一项国际合作中，AMOLF 研究人员从理论上描述和实验上观察到两束激光驱动耦合光学腔中的自发对称性破缺 (SSB)，SSB 是一种发生在许多物理系统中的普遍现象。例如，它是激光、超导和希格斯机制的核心。但是，尚不清楚对于像光学腔这样的激光驱动系统中SSB 是如何发生的。由于激光驱动的系统始终处于激光施加的状态，SSB的性质和表现形式与其他系统是完全不同的。

       最初，AMOLF小组与法国和新西兰的小组在激光驱动耦合光学腔中实现 SSB的研究中存在竞争关系，但在某种程度上他们决定合作。他们的共同努力促成了对激光驱动耦合光学腔中 SSB 的首次清晰的演示和透彻的理论理解。他们于 2 月 4 日在《 Physical Review Letters》上发表了他们的研究成果。

       两年多前，在一次会议上Said Rodriguez 遇到了他在法国做博士后期间的前同事 Alejandro Yacomotti，他们意识到他们都在朝着同一个目标努力。Said Rodriguez 说：“Yacomotti 的小组在实验上更先进，而我们在理论建模上处于领先地位”，“我们决定不去竞争，而是齐心协力做一件事，当我们可以一起做并且做得更好的时候，我认为做两次是没有意义的。”

自发对称性破缺

       对称性在物理学中是无处不在的，从最早的自然哲学家开始，它就帮助科学家们深入了解物理定律。系统中的对称性可以通过施加的力直接地破坏，但也可以通过微小的波动自发地破坏。物理学的许多领域都在研究这种情况如何发生以及何时发生。Rodriguez 评论道：“想象一根完美的直立着的圆柱形棍子。如果我们在这样一根棍子的顶部施加均匀分布的力，它会保持一段时间。但是，随着力的增加，微小的波动可能会折断或弯曲棍子，这样系统将不再是对称的，这是自发对称破缺的一种形式。”

耦合光学腔

       Rodriguez 和他的团队与他在法国和新西兰的同事一起研究了一个本质上对称的光学系统：一组由相干激光驱动的两个光学腔。因为激光驱动耦合光学腔是各种光学信息处理技术的基石，许多研究实验室对它们进行了深入研究。Rodriguez解释道：“在激光器本身中，我们看到了 SSB 的经典案例”，“激光需要一个临界泵浦阈值，高于该阈值发射的光具有明确定义的相位，初始相位是自发选择的。所有相位值都是同样可能的，但其中一个是通过微小波动随机选择的；然后我们说对称性被自发地打破了。几年前，我们的法国同事在与驱动相位无关的系统中发表了类似的SSB演示结果。”

创新性思维

       从那时起，几个小组一直试图了解 SSB 在相干驱动的系统中如何发生，例如，由具有明确相位的激光器驱动。此论文是相干驱动系统中 SSB 的首次演示。Rodriguez 解释说：“耦合非线性光学腔系统可以在单一驱动条件下具有多种状态，这使得通过实验观察 SSB 非常具有挑战性。我们合作的三个小组使用了不同的理论方法带来了自己的专业知识。这需要一些创新思维和这些不同方法的结合，才能将该理论推进到新的体系中，即系统在SSB点的两个不同状态中选择一个，就像在压力下向左或者向右弯曲的棍子。AMOLF小组的博士生Kevin Peters 和硕士生 Anne Spakman 在理论部分做了大量的工作。在我们的法国同事进行的实验中，SSB确实被观察到两个耦合腔之一中的光强度的增加。”

灵敏传感

       AMOLF 团队与他们的国际合作者一起，提供了一个全面而完整的用于理解与多个技术领域相关的耦合光学腔中的SSB的基本框架。Rodriguez说：“在 SSB 点，光腔中的光相互纠缠并表现出量子行为。这项工作中的发现可能与量子技术有关，这样的系统可能是一个量子光源。”

       他在 AMOLF 的团队也对新发现的传感应用感兴趣。“在 SSB 阈值处，耦合光学腔系统对微小扰动非常敏感，例如由纳米级生物分子进入系统引起的。我们可以利用我们在这次合作中获得的发现来改进我们自己的实验，使用略微不同的光学腔来达到传感目的。”

      消息来源：https://phys.org/news/2022-02-teams-collaborate-symmetry.html