我校董亮偉教授在物理學(xué)頂級(jí)期刊 《Physical Review Letters》上再次發(fā)表重要研究成果

近日，我校董亮偉老師在非線性光學(xué)領(lǐng)域取得重要理論研究進(jìn)展，首次發(fā)現(xiàn)扭曲環(huán)形波導(dǎo)陣列中攜帶相反拓?fù)浜傻臏u旋孤子具有不同的存在區(qū)間和穩(wěn)定性。基于嚴(yán)格離散對(duì)稱(chēng)理論分析，揭示了扭曲波導(dǎo)陣列可以穩(wěn)定在非扭曲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中總是不穩(wěn)定的渦旋態(tài)。題為《扭曲環(huán)形波導(dǎo)陣列中的渦旋孤子》的論文發(fā)表在物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》（物理評(píng)論快報(bào)）上。這是董亮偉教授繼2021年以來(lái)在該期刊上發(fā)表的第二篇工作。該項(xiàng)工作由我校物理系董亮偉教授、俄羅斯科學(xué)院光譜研究所首席科學(xué)家Y. V. Kartashov教授、西班牙光子科學(xué)研究所所長(zhǎng)L. Torner教授和瓦倫西亞大學(xué)A.Ferrando教授合作完成，董亮偉為第一且唯一通訊作者，陜西科技大學(xué)為第一和唯一通訊單位。

本工作的研究背景為，光場(chǎng)傳播會(huì)受到橫向折射率調(diào)制的強(qiáng)烈影響，這種現(xiàn)象為控制光場(chǎng)衍射、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多樣性以及人造材料中光束的傳播路徑開(kāi)辟了重要途徑。在非線性情況下，這種折射率調(diào)制支持豐富的離散或晶格孤子。光渦旋是一種具有螺旋相位波前、帶有軌道角動(dòng)量、能夠攜帶不同拓?fù)浜蓴?shù)的光束。攜帶不同拓?fù)浜蓴?shù)光渦旋的相互正交性可用于模分復(fù)用，極大地提高光纖通信系統(tǒng)的容量，還可用于光計(jì)算、光捕獲等。光渦旋也可以存在于以離散角旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)而非橫向周期性為特征的結(jié)構(gòu)中。對(duì)這些結(jié)構(gòu)的分析揭示了一個(gè)令人驚訝的事實(shí)，即晶格對(duì)稱(chēng)性嚴(yán)格限制對(duì)稱(chēng)渦旋孤子的拓?fù)浜?，并決定它們的穩(wěn)定性。人們已經(jīng)發(fā)展了一種角度偽動(dòng)量理論來(lái)解釋基于這種結(jié)構(gòu)的渦旋模特性。

當(dāng)具有離散旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)在傳播方向上扭曲時(shí)，將出現(xiàn)與上述情況完全不同的新現(xiàn)象。在扭曲系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)的螺旋度顯著影響波導(dǎo)之間的光傳輸，可能實(shí)現(xiàn)不尋常的衍射管理和核心之間隧穿的拓?fù)湟种?。此外，在Parity-time對(duì)稱(chēng)環(huán)形陣列中，扭轉(zhuǎn)允許控制系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)破缺閾值。然而無(wú)論是在環(huán)形陣列中還是在旋轉(zhuǎn)晶格中，扭曲對(duì)非線性狀態(tài)下自捕獲渦旋態(tài)的存在性、穩(wěn)定性及傳播行為的影響尚未被探索。這種旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可以在拉制光子晶體光纖過(guò)程中通過(guò)扭曲來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本項(xiàng)工作的創(chuàng)新點(diǎn)為，基于旋轉(zhuǎn)體系中的非線性薛定諤方程，研究了扭曲環(huán)形波導(dǎo)陣列中拓?fù)鋺B(tài)的形成。發(fā)現(xiàn)非線性介質(zhì)中波導(dǎo)陣列的扭曲導(dǎo)致具有相反拓?fù)浜傻臏u旋孤子表現(xiàn)出完全不同的基本性質(zhì)。該系統(tǒng)中順時(shí)針和逆時(shí)針渦旋流的不等價(jià)性非常罕見(jiàn)。通過(guò)對(duì)具有C_6v離散旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性波導(dǎo)陣列的分析，我們發(fā)現(xiàn)縱向扭曲能夠穩(wěn)定拓?fù)浜勺畹蜑榈臏u旋孤子，這類(lèi)渦旋在具有相同對(duì)稱(chēng)性但未扭曲的陣列中總是不穩(wěn)定的。扭曲還會(huì)導(dǎo)致原本穩(wěn)定的孤子出現(xiàn)不穩(wěn)定區(qū)域，并產(chǎn)生在非扭曲陣列中被禁止的拓?fù)浜蔀閙=3的渦旋模。我們建立了陣列的離散旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性、扭轉(zhuǎn)方向和可能的孤子拓?fù)浜芍g的嚴(yán)格關(guān)系。

部分結(jié)果圖示：

圖1 C₆點(diǎn)群對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)環(huán)形波導(dǎo)陣列中角布洛赫模式示意

圖2 渦旋孤子功率(a,c)功率和不穩(wěn)定增長(zhǎng)率(b,d)隨旋轉(zhuǎn)頻率的變化

圖3 不穩(wěn)定(b)和穩(wěn)定(c)渦旋孤子傳播模擬

據(jù)悉，《Physical Review Letters》是美國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦的、世界著名的物理學(xué)頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊，主要發(fā)表重要的、原創(chuàng)性強(qiáng)、有廣泛物理興趣的研究成果。本工作受到陜西科技大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目、陜西省高層次人才項(xiàng)目、陜西省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.123903

（核稿：劉建科 編輯：劉倩）