今日Nature神奇的光力互动光学微腔中的机械孤子

　　孤子最早是由英国科学家、造船工程师罗素在1834年观察运河水道里的水流的时候观察到的，在之后的演讲报告中，罗素这样描述那天他所观察到的现象：＂当时，我正在观看沿着狭窄水道由两匹马牵引向前的一只小船的运动。当小船骤然停止时，水道中为小船所推动的一大堆水却并不停止，水积聚在船头前面猛烈地激荡着，然后水浪突然呈现出个很大的、孤立的凸起，那是一个滚圆而光滑、周界分明的水堆。他以巨大的速度向前滚动，而将小船留在它后面。这一水堆沿着水道继续行进而且没有明显地改变其形状或降低其速度。我骑马紧跟，并追上了它，它仍保持其原来的大约30英尺长、1英尺至1英尺半的高度以大约每小时8或9英里的速度滚滚向前。这是我第一次有机会见到这样一个独一无二的现象。＂
　　罗素所观察到的就是孤子现象，它是由非线性引起的波的局域化传播。上面的视频中给出了水波孤子的演示。孤子普遍存在于我们的日常生活中，如在海洋中或河流中我们经常能够看到稳定向前运动的水波波包，就是水波中的孤子。此外，孤子还普遍存在于晶格结构、光纤、磁结构、蛋白质和核酸分子结构中。近年来，人们在微纳结构特别是光学微腔中观测到了耗散克尔（Kerr）光学孤子，并发现其在产生片上集成光频梳以及通信等领域具有广泛的应用，在微纳结构中产生并应用孤子效应逐渐成为国际热点。
　　尽管在微腔中的光孤子已为人们所广泛关注，在微纳结构特别是微腔中观测机械孤子即振动的局域化效应并非易事，主要原因是微腔中机械运动的非线性过弱，不足以产生振动局域化效应，而光机械效应产生的强振动非线性为其提供了可能【图1】。
　　图1. 光引起的机械运动局域化示意图
　　微腔中的光机械效应是由于光被微腔局域于微纳尺度中引起的微腔的机械振动，其在引力波探测、高精度计量、量子计算与量子通信等重要研究领域都有直接应用。光机械效应使得微腔中光与机械振动二者之间产生强耦合作用，这种强耦合作用会引起机械运动的非线性行为，从而导致机械运动局域化。
　　近年来，回音壁模式(Whispering Gallery Mode，简称WGM)光学微腔以其优越的品质因子成为探索光机械现象的理想平台。光机械效应在近年来越来越被人们所重视。事实上，固态芯片上的光机械系统是近年来量子信息处理领域乃至基础物理研究领域备受人们关注的方向。同时，纳米机械（或称机械谐振器）一直被认为是研究量子到经典的过渡、宏观量子现象、量子控制等一系列基础问题的理想对象。在应用方面，机械振子可作为高精度位移和微小质量探测等诸多精密仪器的载体。如果机械振子呈现量子性，那么就可用它作为数据总线（Data bus）实现不同量子系统之间的纠缠和量子信息处理，作为传感器或量子开关连接具有不同频率的量子体系从而构成复杂的量子网络等。
　　由于光机械系统可用于精密测量和量子信息等诸多领域，因此近年来对其研究进展迅速，特别是近年来引力波在光机械系统中的发现，在时隔百年之后为爱因斯坦的广义相对论提供了确凿的证据，相信这会推动光机械效应研究的又一次热潮。微型环芯腔系统作为光机械效应的载体，具有尺度小，易控制等特点。且由于微型环芯腔位于硅芯片上，因此便于与超导器件等芯片上的器件加以集成以构成更复杂的混合器件。此外，微型环芯腔系统作为纳米机械振子具有从低频（约几兆赫兹）到高频（百兆赫兹）不同频段的振动模式，且便于从光腔输出谱中提取振动信息，因此是很好的光机械效应的物理载体。
　　Nature  杂志今日在线报道了由圣路易斯华盛顿大学、清华大学、纽约城市大学等研究单位组成的研究团队在实验中采用微型环芯腔作为物理载体观测到了这种光机械效应引起的机械运动局域化现象。微型环芯腔可以看做一个用硅柱子顶起来的玻璃圆盘。这一柱子顶起来的玻璃圆盘可以沿盘面径向振动，而光场分布在玻璃圆盘的外边缘。当位于玻璃圆盘外边缘的光场足够强之后，光场会激起玻璃圆盘的振动，这一振动会沿玻璃圆盘盘面从外边缘向圆盘中心传播【图2a】。当振动传播到玻璃圆盘中心时，由于圆盘中心用于支撑的硅柱的阻碍，振动的机械波会被反弹回来，反向从圆盘中心向圆盘外边缘传播【图2b】。当激发振动的光场很强时，图2a中的正向传播的机械波和图2b中的反向传播的机械波无法形成稳定的驻波场，机械运动无法形成稳定的驻波场，而是在圆盘外边缘与圆盘中心间往复运动。机械波每次到达圆盘外边缘都会受到圆盘外边缘光场的调制。机械波的传播过程可以用图2c，其中蓝色代表正向传播的机械波，粉色代表反向传播的机械波。由于机械波在传播过程中收到周期的调制，因此会产生机械波的色散，这类似于图2d中机械波穿过周期调制的晶格所产生的色散效应。机械波的色散效应会使得波包扩散，而光机械引起的非线性使得波包局域化，两者平衡形成稳定形状的波包。相比于传统的的连续波光机械现象，这种特殊的机械孤子具有在时域局域化和宽谱的特征，从而大大增强了基于光机械增益的一系列应用的适用范围。
　　图2. 光机械微腔中机械波传播的机理。a, 正向传播的机械波在微型环芯腔外边缘被光场激发后由外向内向盘子中心传播；b, 反向传播的机械波在盘子中心被反弹后，由内向外向盘子外边缘传播；c, 机械波多次反射后色散效应与非线性效应平衡形成稳定的波包；d, 等价的机械波通过周期晶格结构调制的传播过程；e, 光机械孤子的外包络示意图。
　　研究团队进一步将所观测到的光机械孤子用于原子力显微镜针尖低频振动探测【图3】。实验中微型环芯腔的本征振动频率约17兆赫兹，而原子力显微镜针尖本征振动频率约384千赫兹。二者巨大的频率失谐，使得微型环芯腔做周期振动的时候，无法响应原子力显微镜针尖的低频振动。而当微型环芯腔进入孤子区的时候，由于微型环芯腔机械运动时域上出现局域化效应，对应于频域上振动的频率响应实现了增宽，增宽的频率响应特性使得微型环芯腔对针尖的低频振动可以实现高效的响应，实验中观测到了在孤子区测量精度的极大提高。
　　图3. 光机械孤子用于原子力显微镜针尖低频振动探测实验示意图
　　该项工作由美国圣路易斯华盛顿大学、清华大学、美国纽约城市大学、中科院沈阳自动化研究所合作完成，相关成果以＂  Optomechanical dissipative solitons  ＂ 为题发表在2021年12月2号的   Nature   杂志上 。该文章的通讯作者为圣路易斯华盛顿大学电子和系统工程系杨兰教授，第一作者是来自清华大学访问学者张靖博士。这一工作为光机械微腔应用于量子信息、保密光通信、精密传感等众多领域开辟了一条新的路径。
　　作者简介：
　　张靖是清华大学长聘系列副教授，博士生导师，长期从事量子与微纳系统控制理论，及微纳光子学实验研究。在相关方向发表论文60余篇 。关于光机械系统中混沌传递与随机共振的工作被Nature Photonics选为2016年6月刊的封面热点论文，并入选＂2016中国光学重要成果＂。作为第一作者的工作获得国际自动控制联合会(IFAC)青年作者奖，该奖项每三年仅评出一篇获奖论文，这是我国高校系统学者第一次获此奖项。2012年，入选清华大学基础学科青年人才支持计划（221计划）。2016年得到国家自然科学基金优秀青年基金支持。2017年入选教育部青年长江学者。
　　杨兰教授是美国圣路易斯华盛顿大学电子和系统工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授，现任Photonics Research主编，光学学会 （Optical Society of America），美国物理学会 (American Physical Society)，以及电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers）会士，本科毕业于中国科学技术大学，曾获得美国自然科学基金会CAREER奖、美国总统青年科学家奖。其带领的微纳光子学实验室近年来在微纳粒子探测、非厄米光学、光机械等领域取得了一系列重要进展，有关成果发表在《自然》，《科学》，《自然-光子学》，《自然-物理学》，《自然-纳米科技》，《自然通讯》，《美国国家科学院院刊》等期刊。
　　论文信息：
　　＂Optomechanical dissipative solitons＂，Jing Zhang, Bo Peng, Seunghwi Kim, Faraz Monifi, Xuefeng Jiang, Yihang Li, Yu-xi Liu, Andrea Alù, and Lan Yang，December 2 issue, 2021.
　　https://www.nature.com/articles/s41586-021-04012-1