以加州理工學院的Kerry Vahala為首的應用科學家發現了一種新的光孤子波,這種波會緊隨在其它傳播的孤子波後面,就像是搭著其它波的順風車並從其它波中汲取能量。
孤子是像一個像粒子一樣的局域波:當它們穿過空間時,它們保持它們的形狀和形態,而不是像其他波一樣擴散。它們是在1834年首次提出,由蘇格蘭工程師John Scott Russel發現,在福爾柯克和愛丁堡之間聯合運河中的駁船突然停止後,形成了一個不尋常的波。羅素跟蹤了這一波形一到兩英裡,並指出,它在行進過程中保留了它的形狀,直到最終失去了它的蹤影。
他把他的發現稱為「移動波」,到本世紀末,這一現象在數學上被描述,最終產生了孤子波的概念。在正常情況下,波在通過空間傳輸時,波往往會消散。把一塊石頭扔進一個池塘,當它們從撞擊點散開時,波紋會慢慢地消失。而孤子波不會。
除了水波,孤子可以以光波的形式發生。Vahala的團隊研究光孤子通過在微米尺度的循環電路稱為光學微腔中讓光孤子無限再循環下去。孤子在應用方面可用於創建高精度的光學時鐘,並可以用於微波振蕩器,用於導航和雷達系統等其他許多應用場景中。
但儘管經過幾十年的研究,一個孤子從來沒有被觀察到的這樣一種依賴形式的幾乎是寄生的行為方式。
「本質上,這個新的孤子是乘在另一個孤子上的,在另一個孤子的喚醒。它也能從其他孤子中虹吸能量,因此它是自給自足的。它最終會增長大於它所寄生的主人,」Vahala說,他是信息科學與技術和應用物理學的特德和姜詹金斯教授和工程和應用物理科學的材料科學和應用科學的行政人員。
Vahala將這些新發現的孤子比擬作領航魚,即是一種肉食性的會在鯊魚一旁遊動的熱帶魚,它們可以從鯊魚的食物中撿起碎片。並在鯊魚的尾後遊行,領航魚減少了他們自己的身體上的水的阻力,所以他們可以用更少的力氣遊動。
Vahala是發表在《自然物理》雜誌上的這篇宣布和描述孤子的新類型的論文的共同作者,被稱為「斯託克斯孤子」(「斯託克斯」的選擇,因為技術上的原因,即這種孤子虹吸能量的機制)並且是由加州理工學院的研究生楊啟凡和易許首次觀察到新的孤子。由於孤子能夠接近原來的孤子的形狀和位置,楊和易的最初的反應是懷疑實驗室儀器失靈。
「通過觀察兩個光譜儀上的信號,我們證實,該信號不是儀器儀表的誤差。然後,我們知道這是真實的,並必須弄清楚為什麼一個新的孤子會自發地出現這樣的情況,」楊說。
Vahala和他的團隊使用包括雷射輸入提供孤子能量微腔。這種能量是不能直接被斯託克斯孤子所「領航魚」吸收,相反,能量被「鯊魚」孤子所消耗。但是,Vahala和他的團隊發現,能量是由領航魚孤子拉走,其規模增長而其他孤子收縮。
「一旦我們了解產生新的孤子的所需環境,它實際上就可能為我們設計微腔保證孤子的形成,甚至其性質如有效的波長、顏色等,」易說。