物理學院「極端光學研究創新團隊」在PRL發表文章揭示微腔中的自發對稱性破缺機制

長期以來，自發對稱性破缺是希格斯機制、波色-愛因斯坦凝聚和超導物理等諸多重要領域的核心基礎之一。日前，北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室「極端光學創新研究團隊」肖雲峰研究員和龔旗煌院士等首次在單個迴音壁模式光學微腔中實現了自發對稱性破缺，並揭示了其物理機制。這項研究成果發表在最新一期《物理評論快報》上【 Physical Review Letters 118, 033901 (2017) 】，文章題為「Experimental demonstration of spontaneous chirality in a nonlinear microresonator」。

自發對稱性破缺是指物理系統保持原本的對稱性，而其卻選擇了另一種不具備對稱性的狀態，它是很多相變過程和非互易系統的基本原理，例如，弱相互作用的宇稱不守恆和希格斯機制均是自發對稱性破缺的著名例子。迴音壁模式光學微腔由於其固有的旋轉對稱性，可以支持一對簡併的沿順時針和逆時針傳播的行波模式；同時，它具有超高的品質因子和很小的模式體積，可以極大地增強光和物質的相互作用，是研究對稱性物理和非線性光學的理想平台。研究團隊利用光學克爾效應，使微腔中相向傳播、相等強度的行波光場之間發生交叉相位調製，從而產生了非線性耦合。因此，通過控制輸入光強可以將這對行波場之間的等效耦合強度調製為零，使得系統中原本的對稱狀態不再穩定，自發地分裂為兩個非對稱的狀態，實現了光場的自發對稱性破缺。

左：實驗用片上微腔；右：對稱性破缺前後腔內行波方向及光場分布

在實驗工作中，研究團隊採用具有相同強度和偏振的雙向輸入光，來激發晶元上圓形微腔中的超高品質因子迴音壁模式。當輸入光功率很小時，系統狀態保持原本的對稱性，表現為順時針和逆時針行波場的強度相等；隨著輸入光功率的增強，由交叉克爾效應引起的非線性耦合強度隨之變大，當功率達到一定閾值（百微瓦量級）之後，系統會隨機地進入一個順時針傾向或逆時針傾向的狀態，表現為自發對稱性破缺。實驗上，每個破缺狀態中行波強度之比超過了20:1，實驗數據與嚴格理論解析結果吻合。

迴音壁模式光學微腔中自發對稱性破缺的實現，為粒子物理、凝聚態物理中的自發對稱性破缺的研究提供了良好的模擬平台；同時，它在不依賴複雜的結構和特殊的材料、不需要較高的激發光功率的情況下，即可產生對稱性高度破缺的光場，有望成為片上光操控的新方法。該工作的合作單位包括中國科學技術大學、湖南師範大學和紐約城市大學。研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心和極端光學協同創新中心等的支持。

編輯：白楊