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上海光機(jī)所在隨機(jī)相位散射光的相干性與渦旋動(dòng)力學(xué)研究方面取得重要進(jìn)展 在該光子BKT實(shí)驗(yàn)中，研究人員以輸入光波的隨機(jī)性來(lái)模擬一個(gè)二維系統(tǒng)的“溫度”。這可以通過(guò)對(duì)入射光波進(jìn)行隨機(jī)相位編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)：“溫度”越高意味著隨機(jī)相位的相干長(zhǎng)度越短。如圖1a所，把經(jīng)過(guò)隨機(jī)相位編碼的光束輸入到一個(gè)施加電場(chǎng)的光折變晶體SBN中，并把其偏振態(tài)調(diào)整至與晶體光軸一致，在外加電場(chǎng)的作用下，光在晶體中傳播會(huì)發(fā)生自散焦或自聚焦效應(yīng)，這個(gè)過(guò)程與二維系統(tǒng)波函數(shù)隨時(shí)間的演化一樣，可以非線性薛定諤方程來(lái)描述。通過(guò)對(duì)晶體輸出面的光場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字全息成像，可以重構(gòu)出其相位分布，進(jìn)而確定所有渦旋的位置和數(shù)量（圖1b）。 主要實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖2所示。圖2a顯示的是在不同外加負(fù)電壓情況下，輸出散斑場(chǎng)中新生自由渦旋的數(shù)量與輸入場(chǎng)的“溫度”之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與BKT理論預(yù)測(cè)完全一致：當(dāng)系統(tǒng)的“溫度”低于某個(gè)臨界溫度時(shí)，沒(méi)有自由渦旋的產(chǎn)生，此時(shí)輸出的散斑場(chǎng)保持準(zhǔn)長(zhǎng)程有序，其關(guān)聯(lián)函數(shù)滿足冪律衰減（圖2b）。當(dāng)“溫度”高于臨界值后，系統(tǒng)的熵增加，則傾向于產(chǎn)生了新的自由渦旋（因?yàn)闇u旋的能量與熵一樣，都是自然對(duì)數(shù)函數(shù)）。隨著“溫度”的升高，渦旋數(shù)量增加，渦旋導(dǎo)致場(chǎng)的扭曲，系統(tǒng)的相干性遭到破壞，其關(guān)聯(lián)函數(shù)退化為指數(shù)衰減（圖2c）。通過(guò)計(jì)算散斑場(chǎng)的關(guān)聯(lián)指數(shù)清楚地看到系統(tǒng)在這兩個(gè)“態(tài)”之間的轉(zhuǎn)化（圖2d）。  圖1. (a)光子BKT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。(b)對(duì)照輸入輸出面的相位，可發(fā)現(xiàn)自由渦旋的產(chǎn)生。  圖2. 光子BKT實(shí)驗(yàn)主要結(jié)果。(a)新產(chǎn)生渦旋與系統(tǒng)“溫度”的關(guān)系；(b)在低于臨界溫度時(shí)，系統(tǒng)的相干性呈冪律衰減；(c)而在高于臨界溫度時(shí)，則呈指數(shù)衰減；(d)關(guān)聯(lián)指數(shù)k清楚顯示出隨著溫度的變化，系統(tǒng)在兩個(gè)“態(tài)”之間轉(zhuǎn)化。 該項(xiàng)研究得到中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目（QYZDB-SSW-JSC002）和國(guó)家自然科學(xué)基金委中德合作小組項(xiàng)目（GZ1391）的支持。（信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室供稿） 原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-020-0636-7 |
