近期，德國馬普光科學研究所的研究團隊在鎖模光纖激光與光孤子物理領(lǐng)域取得新進展，在高頻脈沖光纖激光器內(nèi)首次觀測到復雜且穩(wěn)定可控的光學“孤子超分子”結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果發(fā)表于《自然-通訊》，并榮獲“2019年物理類Top 50最受關(guān)注論文”，是該團隊在利用光子晶體光纖實現(xiàn)高頻聲光鎖模超快激光器和全光比特信息存儲之后的又一突破性成果。論文的通訊作者龐盟現(xiàn)工作單位為中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室。

光孤子在傳播過程中可以維持形狀，即使受到少量干擾也能保持穩(wěn)定，因此一直被認為是一種理想的光信息載體。光孤子的自穩(wěn)特性源于光的色散效應(yīng)和非線性效應(yīng)之間的平衡，是非線性科學里“吸引子”概念在光學系統(tǒng)里的一個具體實現(xiàn)。

很早以前人們就知道，若干個光孤子在特定的條件下可以形成穩(wěn)定的束縛態(tài)，猶如一個整體一樣，在傳播過程保持固定的距離和相位關(guān)系。正如束縛在一起的原子可以構(gòu)成分子一樣，這樣的光孤子束縛態(tài)被稱為“孤子分子”。然而，傳統(tǒng)觀點認為產(chǎn)生“孤子分子”的前提是孤子之間的距離足夠小，孤子在空間上必須部分重疊才能產(chǎn)生足夠強的相互作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的束縛態(tài)。孤子間的遠距離相互作用往往被認為非常微弱而且難以控制，因此通常被認為是一種微擾，必須加以抑制。

該項研究中，研究人員反其道而行之，巧妙地增強并控制了光孤子間的遠距離相互作用，讓成百上千個光孤子以一種穩(wěn)定、有序、可控的方式形成了一種前所未有的“超分子”結(jié)構(gòu)。

產(chǎn)生這種“孤子超分子”的關(guān)鍵在于一種可以增強光學非線性效應(yīng)的特種光纖：光子晶體光纖。研究人員在一個鎖模光纖激光器中引入一小段纖芯直徑僅2微米的光子晶體光纖。光在這種特種光纖中傳播時可以有效的激發(fā)纖芯內(nèi)的高頻聲波諧振。此聲波諧振頻率遠高于激光腔的基礎(chǔ)重復頻率，產(chǎn)生的高頻聲光調(diào)制可以把存在于激光器里的大量光孤子分組并等間接的隔開，產(chǎn)生穩(wěn)定的“光機晶格”。在此“光機晶格”的每個時間單元內(nèi)部，基于一種精心構(gòu)造的力學平衡（圖1），多個光孤子可以在遠間距上形成穩(wěn)定的束縛態(tài)。

光學的“超分子”束縛態(tài)產(chǎn)生機理

實驗結(jié)果表明：“光機晶格”內(nèi)的每個時間單元可以包含不同數(shù)量的光孤子，而這種束縛態(tài)的最小單元既可以是單個孤子，也可以是包含兩三個孤子的“孤子分子”。因此形成的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的孤子分子要復雜的多，被命名為“孤子超分子”（圖2）。

一些包含孤子分子的“超分子”束縛態(tài)。

這種復雜的“孤子超分子”結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生，可在激光器內(nèi)穩(wěn)定存在數(shù)小時。同時，通過調(diào)節(jié)激光器參數(shù)，孤子間的遠距離束縛力可以被靈活調(diào)節(jié)。另外，“孤子超分子”中的基本單元也可以自由的增加或減少，且不影響整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（圖3）。這些特性很容易讓人聯(lián)想起生物化學領(lǐng)域的“超分子”（比如：DNA等），它們都同樣兼具復雜，穩(wěn)定和靈活的特性。相較于傳統(tǒng)“孤子分子”，新發(fā)現(xiàn)的“孤子超分子”結(jié)構(gòu)更多樣，變化更靈活，同時擁有很強的自穩(wěn)定特性。這項發(fā)現(xiàn)對于光孤子在非線性科學中的理解和在光信息科學中的應(yīng)用具有重要的啟發(fā)意義。

在“超分子”束縛態(tài)內(nèi)自由的加入或去除光孤子。