科學家首次發現莫爾角調節下的空間光孤子—新聞—科學網

2020-11-22 科學網

 

傅其棟（左）、 葉芳偉 （中）、王鵬在交流工作

上海交通大學物理與天文學院教授葉芳偉課題組的一項最新研究在國際上首次將莫爾晶格的研究推進到非線性光學範疇，發現莫爾角調節下的空間光孤子，引起了國際學術界的廣泛關注，相關研究成果近日發表於《自然—光子學》。

法國物理學家德布羅意在其提出的物質波假設中指出，粒子具有波動性。因此，如果你拿實物粒子（如電子）做楊氏雙縫實驗，也能在衍射屏上看到明暗相間的幹涉條紋。那麼，反過來，波是否也具有粒子性？答案是肯定的，最能生動體現這一點的恐怕要屬光孤子。光孤子是指非線性效應平衡光的散開效應，從而在演化過程中始終保持波形不變的一束光或一個光脈衝。與經典粒子一樣，光孤子之間也可以發生碰撞，並能呈現出一切可能的碰撞形式：彈性碰撞、完全非彈性碰撞、碰撞後湮滅或分裂等。光孤子具有的粒子性使其在攜帶光信息、實現光控光方面具有重要的應用價值，因此，光孤子一直是非線性光學領域最為前沿的研究方向之一。

光孤子的研究始終和材料的發展與結構的設計緊密聯繫在一起。藉助於能帶設計，人們可以調控衍射和色散的強度，從而降低形成光孤子的閾值功率，但即便如此，閾值功率依然處於較高的水平上。

葉芳偉課題組首次發現了莫爾晶格這類準周期晶格中的空間光孤子。研究人員發現，在絕大部分莫爾角度（此時莫爾晶格呈現「不可約」相）下，激發莫爾晶格中的空間光孤子所需的閾值功率幾近為零。這是由於莫爾晶格中存在著大量平帶（這些帶並不會引起衍射效應），只有極高階能帶才具有非零曲率所致。因此，莫爾晶格為極低功率條件下光孤子的激發提供了一個獨特的平臺，為光孤子走向實際應用突破了功率條件上的限制。

葉芳偉表示，受課題組實驗條件的限制，在本次研究中，莫爾晶格是「刻寫」在一種名叫鈮酸鍶鋇的光折變材料上，這種材料自身具有較高的非線性效應，因此在其中激發孤子的功率要求本來就較低。但必須提及的是，莫爾晶格中超低功率閾值光孤子的存在並非歸因於材料本身較高的非線性效應，而是莫爾晶格中存在大量平帶所致。因此，若將莫爾晶格「刻寫」到其他非線性材料中，依然不影響極低功率孤子的存在。

極低功率條件下觀察到的空間光孤子為莫爾晶格中大量平帶的存在提供了一個光學上的直接證據。

同時，課題組在實驗上產生的莫爾晶格具有高度可調特性。當莫爾角連續調節時，對應的莫爾晶格經歷了從準周期晶格到周期晶格之間的連續「相變」，這使得可以在同一個平臺上直接比較周期與準周期系統中的光孤子。研究人員發現，對於由兩個方形晶格構成的莫爾晶格，這些特殊角其實是勾股角，而此時對應的莫爾晶格則回歸為周期晶格（「可約」相），能帶結構的曲率達到最大，因此形成孤子所需的閾值功率也達到最大。有趣的是，進一步研究發現，孤子的功率閾值隨著勾股角（或者廣義勾股角）級次的升高急劇降低，意味著高階勾股角下的莫爾晶格也支持極低功率條件下的光孤子。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41566-020-0679-9

 

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