Em uma colaboração internacional, os pesquisadores da AMOLF descreveram teoricamente e observaram experimentalmente a quebra espontânea de simetria (SSB) em duas cavidades ópticas acopladas a laser. SSB é um fenômeno universal que ocorre em muitos sistemas físicos. Está no coração do laser, da supercondutividade e do mecanismo de Higgs, por exemplo. No caso de sistemas acionados por laser, como cavidades ópticas, ainda não foi entendido como ocorre o SSB. Como os sistemas acionados por laser estão sempre em um estado imposto pelo laser, a natureza e a manifestação do SSB são completamente diferentes de outros sistemas.
O grupo AMOLF estava inicialmente competindo com grupos na França e na Nova Zelândia para realizar SSB em cavidades ópticas acopladas a laser, mas em um certo ponto eles decidiram se unir. Seu esforço conjunto resultou em uma primeira demonstração clara e compreensão teórica completa do SSB em cavidades ópticas acopladas a laser. Eles publicaram suas descobertas na Physical Review Letters em 4 de fevereiro.
Há pouco mais de dois anos, Said Rodriguez conheceu Alejandro Yacomotti, ex-colega de pós-doutorado na França, em uma conferência. Eles perceberam que ambos estavam trabalhando para o mesmo objetivo. “O grupo de Yacomotti estava mais avançado experimentalmente, enquanto estávamos à frente na modelagem teórica”, diz Rodriguez. “Decidimos não competir, mas unir esforços. Achei que não faz sentido fazer as coisas duas vezes, quando poderíamos fazê-lo uma vez e melhor juntos.”
Quebra espontânea de simetria
A simetria é abundante na física e tem ajudado os cientistas a compreender as leis da física desde os primeiros filósofos naturais. A simetria em um sistema pode ser quebrada explicitamente por uma força aplicada, mas também espontaneamente por pequenas flutuações. Como e quando isso acontece é investigado em muitos campos da física. Rodriguez: “Imagine uma vara perfeitamente cilíndrica, de pé. Se exercermos uma força uniformemente distribuída em cima de tal bastão, ele se manterá por um tempo. Mas, com o aumento da força, uma pequena flutuação pode quebrar ou dobrar o bastão, de modo que o sistema não seria mais simétrico. Esta é uma forma de quebra espontânea de simetria.”
Cavidades acopladas
Juntamente com seus colegas na França e na Nova Zelândia, Rodriguez e sua equipe trabalharam em um sistema óptico simétrico por natureza: um conjunto de duas cavidades ópticas acionadas por um laser coerente. Cavidades ópticas acopladas a laser são intensamente investigadas em muitos laboratórios de pesquisa porque são os blocos de construção de várias tecnologias de processamento de informações ópticas. “No próprio laser, vemos um caso clássico de SSB”, explica. “O laser requer um limite crítico de bomba, acima do qual a luz emitida tem uma fase bem definida. A fase inicial é selecionada espontaneamente. Todos os valores de fase são igualmente prováveis, mas um é selecionado aleatoriamente por pequenas flutuações; dizemos então que a simetria foi quebrada espontaneamente. Alguns anos atrás, nossos colegas franceses publicaram uma demonstração SSB um pouco semelhante em sistemas onde a fase da condução é irrelevante.”
Pensamento inovador
Desde então, vários grupos vêm tentando entender como o SSB ocorre em sistemas que são acionados de forma coerente, por exemplo, por um laser com fase bem definida. A presente publicação é a primeira demonstração de SSB em tais sistemas orientados de forma coerente. Rodriguez: “Um sistema de cavidades ópticas não lineares acopladas pode ter muitos estados em uma única condição de condução. Isso torna muito desafiador observar a SBB experimentalmente. Os três grupos em nossa colaboração trouxeram seus próprios conhecimentos e usaram diferentes métodos teóricos. Foi preciso algum pensamento inovador e uma combinação dessas diferentes abordagens para avançar a teoria em novos regimes, onde o sistema escolhe um de dois estados distintos no ponto SSB, como um bastão dobrando para a esquerda ou para a direita sob pressão. O estudante de doutorado da AMOLF Kevin Peters e a estudante de mestrado Anne Spakman fizeram esforços consideráveis nessa parte teórica. Nossos colegas franceses realizaram experimentos nos quais o SSB foi de fato observado como um aumento da intensidade da luz em uma das duas cavidades acopladas”.
Detecção sensível
Juntamente com seus colaboradores internacionais, a equipe AMOLF entregou uma estrutura fundamental completa e completa para a compreensão do SSB em cavidades ópticas acopladas que tem relevância em diversas áreas da tecnologia. “No ponto SSB, a luz nas cavidades ópticas fica emaranhada e mostra um comportamento quântico. As descobertas deste trabalho podem ser relevantes para a tecnologia quântica, onde um sistema como esse pode ser uma fonte de luz quântica”, diz Rodriguez.
Seu grupo na AMOLF também está interessado em detectar aplicações dos novos insights. “No limiar SSB, um sistema de cavidades ópticas acopladas é muito sensível a pequenas perturbações, por exemplo. causada por biomoléculas de tamanho nanométrico que entram no sistema. Podemos usar os insights que obtivemos nesta colaboração para refinar nossos próprios experimentos com cavidades ópticas ligeiramente diferentes para fins de detecção.”
Publicado em 09/02/2022 09h55
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