科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)莫爾角調(diào)節(jié)下的空間光孤子 相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然—光子學(xué)》

上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授葉芳偉課題組發(fā)表一項(xiàng)最新研究，在國際上首次將莫爾晶格的研究推進(jìn)到非線性光學(xué)范疇，發(fā)現(xiàn)莫爾角調(diào)節(jié)下的空間光孤子。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然—光子學(xué)》。

光孤子是指非線性效應(yīng)平衡光的散開效應(yīng)，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沖。光孤子具有粒子性，在攜帶光信息、實(shí)現(xiàn)光控光方面具有重要應(yīng)用價值。光孤子的研究始終和材料發(fā)展、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系在一起。借助于能帶設(shè)計(jì)，人們可以調(diào)控衍射和色散的強(qiáng)度，從而降低形成光孤子的閾值功率，但即便如此，閾值功率依然處于較高水平。

葉芳偉課題組首次發(fā)現(xiàn)了莫爾晶格這類準(zhǔn)周期晶格中的空間光孤子。研究人員發(fā)現(xiàn)，在絕大部分莫爾角度(此時莫爾晶格呈現(xiàn)“不可約”相)下，激發(fā)莫爾晶格中的空間光孤子所需閾值功率幾近為零。因此，莫爾晶格為極低功率條件下光孤子的激發(fā)提供了一個獨(dú)特的平臺，為光孤子走向?qū)嶋H應(yīng)用突破了功率條件上的限制。

葉芳偉表示，受課題組實(shí)驗(yàn)條件限制，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(yīng)，因此在其中激發(fā)孤子的功率要求本來就較低。但是，莫爾晶格中超低功率閾值光孤子的存在并非歸因于材料本身較高的非線性效應(yīng)，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，不影響極低功率孤子的存在。

同時，課題組在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的莫爾晶格具有高度可調(diào)特性。當(dāng)莫爾角連續(xù)調(diào)節(jié)時，對應(yīng)的莫爾晶格經(jīng)歷了從準(zhǔn)周期晶格到周期晶格的連續(xù)“相變”，這使得可以在同一個平臺上直接比較周期與準(zhǔn)周期系統(tǒng)中的光孤子。研究人員發(fā)現(xiàn)，對于由兩個方形晶格構(gòu)成的莫爾晶格，這些特殊角其實(shí)是勾股角，而此時對應(yīng)的莫爾晶格則回歸為周期晶格(“可約”相)，能帶結(jié)構(gòu)的曲率達(dá)到最大，因此形成孤子所需的閾值功率也達(dá)到最大。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，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。(記者黃辛)