Шум в роли дирижёра: как тепловые флуктуации формируют симметрию в оптомеханической системе

Группа исследователей из МФТИ, ВНИИА им. Н. Л. Духова и ИТПЭ РАН предложила теоретическую модель, демонстрирующую, как тепловой шум может инициировать спонтанные переходы между симметричными и асимметричными состояниями в специально разработанной оптомеханической системе. Результаты опубликованы в журнале Physical Review A.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 20-72-10057).

Спонтанное нарушение симметрии является ключевым явлением современной физики: в теории элементарных частиц оно объясняет возникновение масс, а в конденсированных средах — лежит в основе фазовых переходов, таких как кристаллизация воды или перестройка магнитного порядка. Примером служит вертикально стоящий на острие карандаш: идеальное равновесие нарушается малейшим возмущением, и он падает в одном из бесчисленных направлений.

Активно изучаются неэрмитовы системы, в частности PT-симметричные, где усиление и затухание энергии могут уравновешиваться, обеспечивая стабильные колебания. Критические параметры таких систем — специальные точки, при которых собственные состояния сливаются и происходит спонтанное нарушение PT-симметрии. В оптомеханических схемах взаимодействие света и механики позволяет наблюдать это нарушение ещё до достижения особой точки. До сих пор считалось, что тепловые флуктуации лишь мешают распознаванию тонких эффектов, связанных с такими системами.

Ученые поставили цель выяснить, может ли шум играть активную роль в динамике оптомеханической системы в окрестности особой точки. Для этого они рассмотрели модель, включающую две оптические и одну фононную моды, возбуждаемые внешним лазером. Динамика описывается уравнениями Гейзенберга–Ланжевена, учитывающими как когерентные процессы, так и релаксацию и тепловые флуктуации.

Моделирование показало, что при определённых параметрах ниже особой точки система может находиться в двух устойчивых состояниях: PT-симметричном и несимметричном. В первом случае интенсивности второй оптической и фононной мод совпадают, а во втором фононная мода доминирует над оптической.

Главный результат состоит в том, что тепловой шум в фононной моде запускает случайные переходы между этими фазами. Система спонтанно “перескакивает” из PT-симметричной фазы в несимметричную и обратно, что сопровождается резкими изменениями в фотонных и фононных интенсивностях. Симуляции методом Хьюна показали, что частота таких переключений растет с увеличением уровня шума (температуры).

Артём Мухамедянов, аспирант МФТИ и младший научный сотрудник ВНИИА им. Духова: “Мы доказали, что тепловой шум сам по себе способен вызывать фазовые переходы между состояниями с разной симметрией. Это открывает новые горизонты для исследований оптомеханических систем: шум может не только мешать, но и порождать уникальные эффекты.”

Новизна подхода заключается в признании шума не только дестабилизирующим фактором, но и управляющим параметром, определяющим переключения между фазами различной симметрии.

Полученные результаты важны для фундаментальной физики, предлагая новый механизм изучения кинетики фазовых переходов, вызванных спонтанным нарушением PT-симметрии. Осознание роли шума может привести к созданию температурочувствительных сенсоров и переключателей, а также углубить понимание динамики открытых квантовых систем и неэрмитовой физики.

Дальнейшие работы могут быть посвящены изучению различных типов шумов, анализу более сложных систем и разработке методов управления подключенными переходами.

Ссылка на статью: A. R. Mukhamedyanov, E. S. Andrianov и A. A. Zyablovsky. Spontaneous PT-symmetry-breaking transitions under the influence of noise in an optomechanical system. Physical Review A, 111, 023519 (19 февраля 2025).

Источник