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非线性波-物质相互作用，可能会产生孤子，这种现象具有波传播的固有稳定性和不寻常的光谱特性。在各种物理系统中产生了孤子，并在通信、光谱学和计量学等广泛的应用中发挥了重要作用。近年来，由于在微腔中实现了耗散的克尔孤子，在芯片规模的平台上产生了频率梳。在一个腔内，光子可以与机械模式相互作用。目前，人类已经发现了腔光力学在频率转换方面的应用，如微波到光或射频到光，对通信和在不同频率工作的量子系统接口感兴趣。

在此，来自美国华盛顿大学的杨兰等研究者报道了，在光力学微谐振器中由光场激发的力学微孤子的观测结果，将光谐振器中的孤子产生扩展到不同的光谱窗口。相关论文以题为“Optomechanical dissipative solitons”于2021年12月01日发表在Nature上。

近年来，腔光力学受到了广泛的关注，为高精度传感、通信和量子信息处理以及基础科学创造了机会，如机械系统中的宏观量子效应和引力波探测。虽然大多数关于腔光力学的研究，都集中在由激光驱动腔的冷却过程上，这种冷却过程是由腔谐振引起的脱谐，从而吸收了机械模态中的声子，但近年来大量的研究集中在腔光力学的加热过程上。

在这种情况下，从谐振腔中脱蓝的光子进入谐振腔时，将发射一个声子进入机械模态。在这种情况下，已经观察到各种现象，如声子激光，在这种情况下，通过光泵浦激发相干的机械振动。对于强泵浦，也可以观察非线性光学效应，如混沌光孤子和表面声波频率梳。

最近，光学孤子已经在克尔光学频率梳中得到了证明和利用，它提供了强大的、等间距的光谱线，非常适合于计时和计量。这些发展使得，通过克尔非线性或通过平衡克尔微谐振器中的非线性和色散，而获得的光电相互作用实现芯片级频率梳。光学频率梳的声子对应，使用Fermi–Pasta–Ulam–Tsingou链，已经在理论上提出了机械频率梳，随后又在微机械谐振器中使用非线性三波混合进行了演示。它们的重复频率从几赫兹到千赫，比光学梳的典型频率小10个数量级，这意味着更精细的频率分辨率。

在此，研究者研究了光力学谐振腔中的非线性力学现象，并报道了在光耳语通道模式(WGM)环面微谐振腔中观察到的机械微孤子。虽然在不同的WGM微谐振器中已经观察到光孤子，但在这里，研究者实验证明了光力学孤子，即在WGM光力学谐振器中由光泵浦场激发的局域声波。沿耳语通道模式谐振器周长循环的光场通过光力学耦合触发了机械非线性，进而在传播力学模态上诱导时变周期调制，导致了定制模态色散。用声子增益补偿机械损耗，用定制模态色散平衡光力学非线性，就可以实现稳定的局域机械波包——机械孤子。

光驱动机械微孤子的实现，为光力学技术开辟了新的途径，可能在声传感、信息处理、能量存储、通信和表面声波技术等领域得到应用。

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图1. 声波在光力学谐振器中的传播机制

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图2. 光力学孤子的产生

图3. 椭圆余弦波和孤子波的局域周期声子脉冲

图4. 利用光力学孤子检测悬臂端部低频振动

综上所述，研究者报道了在光力学微谐振器中由光激发的机械微孤子的形成。稳定的机械孤子脉冲是由两个相互竞争的效应产生的：(1)机械行波的周期性调制引起的声子色散在微环边缘的光力学相互作用；以及(ii)光力学诱导的机械非线性。

微环谐振器的椭圆余弦波运动，可以看作是一种特殊的射频梳，因此它可能用于射频标准、时钟、星盘等。稳定的局域孤子脉冲，对于利用纳米光子结构在射频范围内进行信息传感和传输具有重要意义。

作者简介

杨兰，92少，1992年从湖南洪江一中考入中国科大少年班。于1997年获得中国科大学士学位，1999年获得中国科大硕士学位，2000年获得加州理工硕士学位，2005年获得加州理工博士学位。现在为圣路易斯华盛顿大学教授。2011年，获得美国青年科学家总统奖，这是美国青年科学家最高荣誉奖。

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，美国光学学会会士，曾获得美国自然科学基金会CAREER奖、美国总统青年科学家奖等奖项。本科和硕士就读于中国科学技术大学，1997年和1999年在中科大分别获得学士和硕士学位，2005年在加州理工学院获得博士学位。她的研究兴趣主要基于高品质因子的回音壁光学微腔以及微腔在激光、传感、通讯等基础和应用的研究。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、光力学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。

文献信息

Zhang, J., Peng, B., Kim, S. et al. Optomechanical dissipative solitons. Nature 600, 75–80 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04012-1

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04012-1#citeas

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/17/53d70085cf/

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