近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實驗室與普林斯頓大學(xué)電子工程系合作，對具有不同相干長度隨機相位光束經(jīng)非線性傳播后所形成的散斑場的統(tǒng)計性進行了實驗測量，觀察到隨著自由光渦旋的產(chǎn)生，散斑場的自關(guān)聯(lián)函數(shù)從冪律衰減退化為指數(shù)衰減。這項研究以光子學(xué)系統(tǒng)對凝聚態(tài)物理中的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)相變理論進行了量化實驗驗證，印證了非線性光學(xué)與凝聚態(tài)物理、冷原子物理等多個學(xué)科之間有著某些共同的理論基礎(chǔ)，揭示了隨機光場的相關(guān)性與渦旋動力學(xué)之間深刻而復(fù)雜的聯(lián)系，為進一步探索非平衡態(tài)下的相干-渦旋動力學(xué)提供了一個新的基點。相關(guān)成果以“Dynamics of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in a photon fluid”為題發(fā)表在《自然 光子學(xué)》(Nature Photonics)。 M' z.d  
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在該光子BKT實驗中，研究人員以輸入光波的隨機性來模擬一個二維系統(tǒng)的“溫度”。這可以通過對入射光波進行隨機相位編碼來實現(xiàn)：“溫度”越高意味著隨機相位的相干長度越短。如圖1a所，把經(jīng)過隨機相位編碼的光束輸入到一個施加電場的光折變晶體SBN中，并把其偏振態(tài)調(diào)整至與晶體光軸一致，在外加電場的作用下，光在晶體中傳播會發(fā)生自散焦或自聚焦效應(yīng)，這個過程與二維系統(tǒng)波函數(shù)隨時間的演化一樣，可以非線性薛定諤方程來描述。通過對晶體輸出面的光場進行數(shù)字全息成像，可以重構(gòu)出其相位分布，進而確定所有渦旋的位置和數(shù)量（圖1b）。 >"bW'  
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主要實驗測量結(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，輸出散斑場中新生自由渦旋的數(shù)量與輸入場的“溫度”之間的函數(shù)關(guān)系，實驗數(shù)據(jù)與BKT理論預(yù)測完全一致：當(dāng)系統(tǒng)的“溫度”低于某個臨界溫度時，沒有自由渦旋的產(chǎn)生，此時輸出的散斑場保持準(zhǔn)長程有序，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（因為渦旋的能量與熵一樣，都是自然對數(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）。通過計算散斑場的關(guān)聯(lián)指數(shù)清楚地看到系統(tǒng)在這兩個“態(tài)”之間的轉(zhuǎn)化（圖2d）。 )~=8Ssu  
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該項研究得到中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃項目（QYZDB-SSW-JSC002）和國家自然科學(xué)基金委中德合作小組項目（GZ1391）的支持。（信息光學(xué)與光電技術(shù)實驗室供稿） >dJuk6J&c&  
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原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-020-0636-7