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清华大学自动化系教师与美国研究人员合作在Nature发文,首次在实验上观测到光机械微腔中的机械孤子

近日,清华大学自动化系副教授张靖与清华大学集成电路学院教授刘玉玺研究团队、美国圣路易斯华盛顿大学杨兰教授研究团队、美国纽约城市大学、中科院沈阳自动化所研究人员合作,在回音壁光机械微腔中发现了一种新的光机械非线性引起的机械运动局域化现象即机械孤子,研究成果发表于物理领域权威期刊《Nature》。

孤子(Soliton)是一种重要的非线性效应,是指波在传播过程中由于非线性与波包色散的平衡会形成一个稳定的波包向前传播,这个稳定传播的波包就是孤子。孤子普遍存在于我们的日常生活中,如在海洋中或河流中我们经常能够看到稳定向前运动的水波波包,就是水波中的孤子。此外,孤子还普遍存在于晶格结构、光纤、磁结构、蛋白质和核酸分子结构中。近年来,人们在微纳结构特别是光学微腔中观测到了耗散克尔(Kerr)光学孤子,并发现其在产生片上集成光频梳以及通信等领域具有广泛的应用,在微纳结构中产生并应用孤子效应逐渐成为国际热点。

微腔中的光机械效应是由于光被微腔局域于微纳尺度中引起的微腔的机械振动,其在引力波探测、高精度计量、量子计算与量子通信等重要研究领域都有直接应用。光机械效应使得微腔中光与在微腔外边缘与盘腔中心往复运动的机械振动二者之间产生强耦合作用(见下图a,b),这种强耦合作用会引起机械运动的非线性行为,从而导致机械运动局域化。另一方面,机械波在光机械微腔中传播时,会受到光场周期的调制,因此会产生机械波的色散。这类似于机械波穿过周期调制的晶格所产生的色散效应,机械波的色散效应会使得波包扩散(见下图c,d)。机械波色散引起的波包扩散与光机械非线性引起的波包局域化相平衡,即形成稳定形状的波包即光机械孤子(见下图e)。

    图1.光机械微腔中机械波传播的机理。a,正向传播的机械波在光学微腔外边缘被光场激发后由外向盘子中心传播;

b,反向传播的机械波在盘子中心被反弹后,由内向外向盘子外边缘传播;

c,机械波多次反射后色散效应与非线性效应平衡形成稳定的波包;

d,等价的机械波通过周期晶格结构调制的传播过程;e,光机械孤子的外包络示意图。

研究团队进一步将所观测到的光机械孤子用于原子力显微镜针尖低频振动探测。实验中光机械微腔的本征振动频率约17兆赫兹,而原子力显微镜针尖本征振动频率约384千赫兹。二者巨大的频率失谐,使得光机械微腔做周期振动的时候,无法响应原子力显微镜针尖的低频振动。而当光机械微腔进入孤子区的时候,由于微腔机械运动时域上出现局域化效应,对应于频域上振动的频率响应实现了增宽,增宽的频率响应特性使得光机械微腔对针尖的低频振动可以实现高效的响应,实验中观测到了在孤子区测量精度的极大提高。

图2.光机械孤子用于原子力显微镜针尖低频振动探测实验示意图

该研究得到清华大学自动化系、中国国家自然科学基金、中国科技部国家重大科学研究计划量子调控研究专项、清华大学自主科研项目、清华信息科学与技术国家实验室的交叉研究基金等的支持。

Nature文章链接:

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

Nature Physics的新闻报导:

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01448-0