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西安光機所前沿光子學(xué)理論研究取得系列進(jìn)展 玻色-愛因斯坦凝聚（更廣泛地說，冷原子）是一種天然的非線性物質(zhì)，因為其內(nèi)部原子-原子之間的相互碰撞會產(chǎn)生非線性效應(yīng)；為此，玻色-愛因斯坦凝聚中涌現(xiàn)出諸多非線性現(xiàn)象，比如物質(zhì)波的四波混頻、亮孤子和暗孤子、渦旋與渦旋晶格、動態(tài)不穩(wěn)定性等。除了在基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要作用，玻色-愛因斯坦凝聚在實際應(yīng)用中還具有廣闊的前景，比如用作冷原子干涉儀、原子激光器、具有前所未有精度的冷原子鐘和精密測量技術(shù)，以及更令人興奮的量子信息處理領(lǐng)域。 近期，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室副研究員曾健華阿秒科學(xué)技術(shù)研究團隊在前沿光子學(xué)的線性和非線性調(diào)控理論研究方面取得系列進(jìn)展，研究成果發(fā)表在Advanced Photonics、Optics Letters、Journal of the Optical Society of America B 等光學(xué)期刊上。 8月27日，題目為《囚禁于光晶格帶隙中的玻色-愛因斯坦凝聚暗局域模》（Gap-type dark localized modes in a Bose–Einstein condensate with optical lattices）的理論研究工作發(fā)表在光學(xué)期刊Advanced Photonics。將冷原子束縛于光晶格中為研究各種有趣的物理特性和豐富的非線性動力學(xué)現(xiàn)象提供了一個干凈的、易于實現(xiàn)和精確控制的實驗平臺，這與固體物理中的晶體相比具有顯著的優(yōu)勢。光晶格作為易實現(xiàn)和易操作的多功能手段，存在類似于半導(dǎo)體材料中的能帶結(jié)構(gòu)，在探索玻色-愛因斯坦凝聚特性和操控其動力學(xué)方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，一個標(biāo)志性成果就是在實驗中用光晶格實現(xiàn)亮的物質(zhì)波帶隙孤子。然而，暗的帶隙孤子仍未在實驗中觀測到，其在高維度的物理特性仍然懸而未決。發(fā)表在Advanced Photonics 的工作通過嚴(yán)格的理論和數(shù)值模擬方法，研究了囚禁于一維和二維光晶格帶隙中的冷原子暗局域模的產(chǎn)生和穩(wěn)定特性，發(fā)現(xiàn)了兩類穩(wěn)定的暗局域模，即暗的帶隙孤子和帶隙孤子簇；同時，研究了在二維結(jié)構(gòu)中這兩類暗局域模所對應(yīng)的渦旋態(tài)。研究工作為在冷原子和光學(xué)（使用光子晶體和光學(xué)晶格）前沿實驗中觀測暗的局域帶隙波結(jié)構(gòu)開辟了新的途徑。鑒于該工作的創(chuàng)新性和重要性，論文發(fā)表當(dāng)天就被SPIE（國際光學(xué)工程學(xué)會）主頁選為“Highlighted stories”（亮點故事）并加以宣傳介紹。 該團隊在非線性孤子理論方面也取得系列結(jié)果，如題目為《純克爾非線性模型/介質(zhì)中的平頂孤子》（Purely Kerr nonlinear model admitting flat-top solitons）的理論研究工作發(fā)表在Optics Letters。文章首次借助純非線性調(diào)控方法預(yù)測了一類新型的孤子結(jié)構(gòu)，并通過解析和數(shù)值計算兩種方法研究了平頂孤子和非線性激發(fā)模(多級偶極子和渦旋)結(jié)構(gòu)的存在條件和穩(wěn)定性情況。 5月17日，題目為《具有空間周期性調(diào)制非線性（非線性晶格）的分?jǐn)?shù)薛定諤方程中的一維孤子》（One-dimensional solitons in fractional Schrodinger equation with a spatially periodical modulated nonlinearity: nonlinear lattice）的理論研究工作再度發(fā)表在Optics Letters。文章首次結(jié)合非線性調(diào)控方法和線性衍射調(diào)控方法，通過嚴(yán)格的理論分析和數(shù)值實驗，研究了多種一維孤子結(jié)構(gòu)（基態(tài)模和激發(fā)模）的產(chǎn)生條件和在各種調(diào)制物理參數(shù)情況下的穩(wěn)定特性。此外，題目為《具有空間調(diào)制排斥非線性作用的超冷原子中的類高斯和平頂孤子》（Gaussian-like and flat-top solitons of atoms with spatially modulated repulsive interactions）的理論研究工作于7月29日發(fā)表在Journal of the Optical Society of America B。  圖1. 二維空間中的帶隙型暗孤子與暗孤子簇的三維結(jié)構(gòu)圖（上行）、俯視圖（中行）及其波形（下行）：位于第一（a）和第二（b）帶隙中的暗孤子；（c）暗孤子簇。[Advanced Photonics 1, 046004 (2019)]  圖2. 純非線性調(diào)控下的一維平頂孤子。基模（a）；偶極（b）和三極（c）激發(fā)模。紅線為非線性勢阱形狀。[Optics Letters 44, 001206(2019)]  圖3. 分?jǐn)?shù)衍射調(diào)控和非線性晶格調(diào)控下的一維孤子結(jié)構(gòu)。（a）基模與高斯光（虛線）的波形對比；在不同非線性強度（b）、傳播常數(shù)（c）和衍射階數(shù)（d）下的激光波形變化情況。[Optics Letters 44, 002661 (2019)]  圖4. 在空間調(diào)制排斥非線性超冷原子中的平頂渦旋波結(jié)構(gòu)的動力學(xué)演化。在角動量守恒條件下，渦度為2（第一行）和3（第二行）的渦旋波結(jié)構(gòu)分別演化成2個和3個旋轉(zhuǎn)的單渦旋。[J. Opt. Soc. Am. B 36, 002278 (2019)] 以上研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的支持。 論文鏈接：1 2 3 4 關(guān)鍵詞： 光子學(xué)
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