Parity–time-symmetric whispering-gallery microcavities

谐振器 物理 低语长廊波浪 对称性破坏 奇偶性(物理) 厄米矩阵 联轴节(管道) 对称(几何) 光学 光电子学 量子力学 材料科学 几何学 数学 冶金
作者
Bo Peng,Şahin Kaya Özdemir,Fuchuan Lei,Faraz Monifi,Mariagiovanna Gianfreda,Gui Lu Long,Shanhui Fan,Franco Nori,Carl M. Bender,Lan Yang
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:10 (5): 394-398 被引量:2470
标识
DOI:10.1038/nphys2927
摘要

Optical systems combining balanced loss and gain profiles provide a unique platform to implement classical analogues of quantum systems described by non-Hermitian parity-time- (PT-) symmetric Hamiltonians and to originate new synthetic materials with novel properties. To date, experimental works on PT-symmetric optical systems have been limited to waveguides in which resonances do not play a role. Here we report the first demonstration of PT-symmetry breaking in optical resonator systems by using two directly coupled on-chip optical whispering-gallery-mode (WGM) microtoroid silica resonators. Gain in one of the resonators is provided by optically pumping Erbium (Er3+) ions embedded in the silica matrix; the other resonator exhibits passive loss. The coupling strength between the resonators is adjusted by using nanopositioning stages to tune their distance. We have observed reciprocal behavior of the PT-symmetric system in the linear regime, as well as a transition to nonreciprocity in the PT symmetry-breaking phase transition due to the significant enhancement of nonlinearity in the broken-symmetry phase. Our results represent a significant advance towards a new generation of synthetic optical systems enabling on-chip manipulation and control of light propagation.
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