近日，中國科學院上海光學精密機械研究所信息光學與光電技術實驗室與美國普林斯頓大學電子工程系合作，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)計性進行實驗測量，觀察到隨著自由光渦旋的產(chǎn)生，散斑場的自關聯(lián)函數(shù)從冪律衰減退化為指數(shù)衰減。該研究以光子學系統(tǒng)對凝聚態(tài)物理中的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)相變理論進行量化實驗驗證，印證非線性光學與凝聚態(tài)物理、冷原子物理等多個學科之間有著某些共同的理論基礎，揭示隨機光場的相關性與渦旋動力學之間深刻而復雜的聯(lián)系，為進一步探索非平衡態(tài)下的相干-渦旋動力學提供了新的基點。相關研究成果以Dynamics of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in a photon fluid為題，發(fā)表在《自然 光子學》（Nature Photonics）。 `XP]y=  
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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所示，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，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，可以重構出其相位分布，進而確定所有渦旋的位置和數(shù)量（圖1b）。 L'J$jB5
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主要實驗測量結果如圖2所示。圖2a顯示的是在不同外加負電壓情況下，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)關系，實驗數(shù)據(jù)與BKT理論預測完全一致：當系統(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長程有序，其關聯(lián)函數(shù)滿足冪律衰減（圖2b）。當“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，渦旋導致場的扭曲，系統(tǒng)的相干性遭到破壞，其關聯(lián)函數(shù)退化為指數(shù)衰減（圖2c）。通過計算散斑場的關聯(lián)指數(shù)清楚地看到系統(tǒng)在這兩個“態(tài)”之間的轉化（圖2d）。 t#&^ -;  
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