近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)普林斯頓大學(xué)電子工程系合作，對(duì)具有不同相干長(zhǎng)度隨機(jī)相位光束經(jīng)非線(xiàn)性傳播后所形成的散斑場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，觀(guān)察到隨著自由光渦旋的產(chǎn)生，散斑場(chǎng)的自關(guān)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(xué)系統(tǒng)對(duì)凝聚態(tài)物理中的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)相變理論進(jìn)行量化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，印證非線(xiàn)性光學(xué)與凝聚態(tài)物理、冷原子物理等多個(gè)學(xué)科之間有著某些共同的理論基礎(chǔ)，揭示隨機(jī)光場(chǎng)的相關(guān)性與渦旋動(dòng)力學(xué)之間深刻而復(fù)雜的聯(lián)系，為進(jìn)一步探索非平衡態(tài)下的相干-渦旋動(dòng)力學(xué)提供了新的基點(diǎn)。相關(guān)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(xué)》（Nature Photonics）。 6*1f -IbV  
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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所示，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(xiàn)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）。 #xR=U"  
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(mǎn)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）。 @G>eCj  
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研究工作得到中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金委中德合作小組項(xiàng)目的支持。 .2|(!a9W  
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論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-020-0636-7