Quiralidad espontánea en un microrresonador no lineal

Dibujo20160710 Scanning electron microscope image of the silica microtoroid

La quiralidad es una asimetría que emerge de la rotura espontánea de la simetría especular en un sistema. Por primera vez se ha observado el proceso en un microrresonador no lineal con efecto Kerr. Al aumentar la potencia de los pulsos inyectados en el microrresonador el efecto Kerr hace que cambie la amplitud relativa de las ondas que se propagan en sentido horario (CW) y antihorario (CCW); se llega a alcanzar un cociente CW/CCW = 20:1. La quiralidad observada podría tener aplicaciones prácticas en el diseño de nuevos dispositivos optomecánicos.

El artículo es Qi-Tao Cao, He-Ming Wang, …, Yun-Feng Xiao, «Experimental demonstration of spontaneous chirality in a nonlinear microresonator,» arXiv:1607.01459 [physics.optics].

Dibujo20160710 Experimental setup toroidal microcavity evanescently coupled by two tapered fibre waveguides

El microrresonador tiene forma de anillo y está acoplado a dos fibras ópticas. Se inyectan pulsos ópticos usando un láser semiconductor de frecuencia entre 1520 y 1570 nm, con potencia en el intervalo de 40 µW a 650 µW. Los pulsos ópticos por la fibra superior (A), actúan como entrada (input) e inducen la propagación de las dos ondas CW y CCW en sentidos opuestos en el microrresonador. La inferior actúa como salida, propagando la onda CW hacia la izquierda (B) y la CCW hacia la derecha (C). Dos fotodetectores (PD) en ambos extremos de esta fibra de salida leen los pulsos. 

Dibujo20160710 Onset of the chirality with increasing input power

Los pulsos de entrada de baja potencia (70 μW) producen pulsos de salida similares en ambos fotodectores; en estas figuras CW en azul y CCW en rojo. Por tanto se observa la simetría. Pero al incrementar la potencia de los pulsos de entrada (en la figura 150 µW, 265 µW y 297 µW) actúa el efecto Kerr (índice de refracción no lineal proporcional a la potencia) que provoca la rotura de la asimetría (el pulso CW tiene mucha mayor potencia que el pulso CCW).

Dibujo20160710 ratio power cw ccw vs input power Onset of the chirality with increasing input power

La rotura de la simetría quiral ocurre de forma espontánea conforme crece la potencia de entrada (cambio de azul a rosa en la figura). Pero la simetría se recupera tras superar un segundo umbral (cambio de rosa a verde en la figura). Los valores exactos para la potencia en estos umbrales dependen del factor de eficiencia (ηo) del acoplo entre las fibras ópticas y el microrresonador, que se puede controlar en el esquema experimental usado (en la figura ηo=41%).

Dibujo20160710 Phase diagram bifurcation scaled intracavity intensity

Esta figura ilustra el diagrama de fase que muestra la bifurcación responsable de la rotura espontánea de la simetría. En el diagrama de bifurcación se usa como parámetro la intensidad intracavidad. Cuando se incrementa la potencia del pulso de entrada esta intensidad crece, cruzando el valor de umbral que provoca una bifurcación.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 11 julio, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science
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