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非線性波-物質(zhì)相互作用，可能會產(chǎn)生孤子，這種現(xiàn)象具有波傳播的固有穩(wěn)定性和不尋常的光譜特性。在各種物理系統(tǒng)中產(chǎn)生了孤子，并在通信、光譜學(xué)和計量學(xué)等廣泛的應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。近年來，由于在微腔中實(shí)現(xiàn)了耗散的克爾孤子，在芯片規(guī)模的平臺上產(chǎn)生了頻率梳。在一個腔內(nèi)，光子可以與機(jī)械模式相互作用。目前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了腔光力學(xué)在頻率轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用，如微波到光或射頻到光，對通信和在不同頻率工作的量子系統(tǒng)接口感興趣。

在此，來自美國華盛頓大學(xué)的楊蘭等研究者報道了，在光力學(xué)微諧振器中由光場激發(fā)的力學(xué)微孤子的觀測結(jié)果，將光諧振器中的孤子產(chǎn)生擴(kuò)展到不同的光譜窗口。相關(guān)論文以題為“Optomechanical dissipative solitons”于2021年12月01日發(fā)表在Nature上。

近年來，腔光力學(xué)受到了廣泛的關(guān)注，為高精度傳感、通信和量子信息處理以及基礎(chǔ)科學(xué)創(chuàng)造了機(jī)會，如機(jī)械系統(tǒng)中的宏觀量子效應(yīng)和引力波探測。雖然大多數(shù)關(guān)于腔光力學(xué)的研究，都集中在由激光驅(qū)動腔的冷卻過程上，這種冷卻過程是由腔諧振引起的脫諧，從而吸收了機(jī)械模態(tài)中的聲子，但近年來大量的研究集中在腔光力學(xué)的加熱過程上。

在這種情況下，從諧振腔中脫藍(lán)的光子進(jìn)入諧振腔時，將發(fā)射一個聲子進(jìn)入機(jī)械模態(tài)。在這種情況下，已經(jīng)觀察到各種現(xiàn)象，如聲子激光，在這種情況下，通過光泵浦激發(fā)相干的機(jī)械振動。對于強(qiáng)泵浦，也可以觀察非線性光學(xué)效應(yīng)，如混沌光孤子和表面聲波頻率梳。

最近，光學(xué)孤子已經(jīng)在克爾光學(xué)頻率梳中得到了證明和利用，它提供了強(qiáng)大的、等間距的光譜線，非常適合于計時和計量。這些發(fā)展使得，通過克爾非線性或通過平衡克爾微諧振器中的非線性和色散，而獲得的光電相互作用實(shí)現(xiàn)芯片級頻率梳。光學(xué)頻率梳的聲子對應(yīng)，使用Fermi–Pasta–Ulam–Tsingou鏈，已經(jīng)在理論上提出了機(jī)械頻率梳，隨后又在微機(jī)械諧振器中使用非線性三波混合進(jìn)行了演示。它們的重復(fù)頻率從幾赫茲到千赫，比光學(xué)梳的典型頻率小10個數(shù)量級，這意味著更精細(xì)的頻率分辨率。

在此，研究者研究了光力學(xué)諧振腔中的非線性力學(xué)現(xiàn)象，并報道了在光耳語通道模式(WGM)環(huán)面微諧振腔中觀察到的機(jī)械微孤子。雖然在不同的WGM微諧振器中已經(jīng)觀察到光孤子，但在這里，研究者實(shí)驗(yàn)證明了光力學(xué)孤子，即在WGM光力學(xué)諧振器中由光泵浦場激發(fā)的局域聲波。沿耳語通道模式諧振器周長循環(huán)的光場通過光力學(xué)耦合觸發(fā)了機(jī)械非線性，進(jìn)而在傳播力學(xué)模態(tài)上誘導(dǎo)時變周期調(diào)制，導(dǎo)致了定制模態(tài)色散。用聲子增益補(bǔ)償機(jī)械損耗，用定制模態(tài)色散平衡光力學(xué)非線性，就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的局域機(jī)械波包——機(jī)械孤子。

光驅(qū)動機(jī)械微孤子的實(shí)現(xiàn)，為光力學(xué)技術(shù)開辟了新的途徑，可能在聲傳感、信息處理、能量存儲、通信和表面聲波技術(shù)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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圖1. 聲波在光力學(xué)諧振器中的傳播機(jī)制

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圖2. 光力學(xué)孤子的產(chǎn)生

圖3. 橢圓余弦波和孤子波的局域周期聲子脈沖

圖4. 利用光力學(xué)孤子檢測懸臂端部低頻振動

綜上所述，研究者報道了在光力學(xué)微諧振器中由光激發(fā)的機(jī)械微孤子的形成。穩(wěn)定的機(jī)械孤子脈沖是由兩個相互競爭的效應(yīng)產(chǎn)生的：(1)機(jī)械行波的周期性調(diào)制引起的聲子色散在微環(huán)邊緣的光力學(xué)相互作用；以及(ii)光力學(xué)誘導(dǎo)的機(jī)械非線性。

微環(huán)諧振器的橢圓余弦波運(yùn)動，可以看作是一種特殊的射頻梳，因此它可能用于射頻標(biāo)準(zhǔn)、時鐘、星盤等。穩(wěn)定的局域孤子脈沖，對于利用納米光子結(jié)構(gòu)在射頻范圍內(nèi)進(jìn)行信息傳感和傳輸具有重要意義。

作者簡介

楊蘭，92少，1992年從湖南洪江一中考入中國科大少年班。于1997年獲得中國科大學(xué)士學(xué)位，1999年獲得中國科大碩士學(xué)位，2000年獲得加州理工碩士學(xué)位，2005年獲得加州理工博士學(xué)位?，F(xiàn)在為圣路易斯華盛頓大學(xué)教授。2011年，獲得美國青年科學(xué)家總統(tǒng)獎，這是美國青年科學(xué)家最高榮譽(yù)獎。

楊蘭教授是美國圣路易斯華盛頓大學(xué)電子和系統(tǒng)工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授，美國光學(xué)學(xué)會會士，曾獲得美國自然科學(xué)基金會CAREER獎、美國總統(tǒng)青年科學(xué)家獎等獎項(xiàng)。本科和碩士就讀于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，1997年和1999年在中科大分別獲得學(xué)士和碩士學(xué)位，2005年在加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。她的研究興趣主要基于高品質(zhì)因子的回音壁光學(xué)微腔以及微腔在激光、傳感、通訊等基礎(chǔ)和應(yīng)用的研究。其帶領(lǐng)的微納光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室近年來在微納粒子探測、非厄米光學(xué)、光力學(xué)等領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展，有關(guān)成果發(fā)表在《自然》，《科學(xué)》，《自然-光子學(xué)》，《自然-物理學(xué)》，《自然-納米科技》，《自然通訊》，《美國國家科學(xué)院院刊》等期刊。

文獻(xiàn)信息

Zhang, J., Peng, B., Kim, S.?et al.?Optomechanical dissipative solitons.?Nature?600,?75–80 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04012-1

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04012-1#citeas

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/17/53d70085cf/

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