近日，Materials view China 网站报道了华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室黄国翔教授课题组发表于国际著名学术期刊 Laser and Photonics Reviews 的研究成果“稳定的高维弱光孤子分子及其主动操控”（Stable High-Dimensional Weak-Light Soliton Molecules and Their Active Control）。
孤子（soliton）是一种由介质的色散和非线性效应相互平衡导致的、在传输过程中波形和传播速度均保持不变的特殊波包。在自然界中，孤子的出现是十分普遍的非线性现象。例如，在海洋、河流中出现的稳定传播的大振幅波包，就是水波中的孤子，其研究已有很长的历史。近几十年来，科学家们对光学介质、声学系统、等离子体、玻色-爱因斯坦凝聚体、蛋白质和核酸分子结构等体系中的孤子开展了大量的研究。在这些研究中，光孤子的研究尤其引人注目，原因之一是它们在超连续光谱和光频梳的产生、光信息处理、光通讯等中具有重要的应用。
由于存在非线性效应，孤子之间可以产生吸引、排斥等丰富的相互作用现象。特别是，两个或多个孤子可以束缚在一起可形成孤子束缚态或孤子分子（soliton molecule），类似于由两个或多个原子形成的化学分子。由于孤子分子不仅可以像单个孤子一样稳定地传播，还可极大的拓展单个孤子的自由度，因此有望成为新型的信息载体。
近年来，尽管光孤子分子（optical soliton molecule）已为人们所广泛关注并有不少研究，然而在普通光学介质（如光纤等）中产生和操控光孤子分子并非易事，其主要原因有：（1）普通光学介质的非线性效应弱，产生光孤子或孤子分子需要较大的输入功率或较长的传播距离；（2）一般来说，普通光学介质只具有空间局域的光学非线性效应（即介质在某一位置处的非线性光响应只和该位置的光强有关，而与其它位置处的光强无关）。因此，只有当两个光孤子的强度分布有较大的相互重叠时，它们才有可能锁定在一起形成孤子分子。因为受限于单个孤子的几何尺寸，基于这样的产生机制无法形成大尺寸（远大于单个孤子尺寸）的孤子分子；（3）在体系只具有局域非线性的情况下，高维孤子一般是不稳定的，不能实现高维孤子分子；（４）普通光学介质一般缺少可调的系统参数，因此难以实现对光孤子或光孤子分子主动操控。
精密光谱科学与技术国家重点实验室的黄国翔课题组提出了利用超冷里德堡原子（Rydberg atom）气体作为非局域非线性光学介质产生高维弱光孤子分子并实现其主动操控的理论方案。里德堡原子是指主量子数非常大的高激发态原子，具有半径与电偶极矩大、寿命长、相互作用强等优点。利用激光冷却技术，可以将里德堡原子气体冷却至极低温（微开尔文量级），从而可实现很长的相干时间和很大的原子-原子相互作用。特别是，利用电磁感应透明 （EIT）（图1），不仅可有效抑制原子对光场的共振吸收，还能充分利用EIT带来的慢光效应和调控手段。此外，里德堡原子之间的强偶极-偶极相互作用可使体系的非局域光克尔效应大大增强，从而可实现高维光孤子间的无接触相互作用（contactless interaction）。
通过对里德堡-EIT系统建立数学模型并进行超出平均场近似的理论分析和计算，课题组发现体系具有很强的非局域克尔非线性效应。利用非局域非线性与衍射效应的平衡，在该系统中可产生稳定的（2+1）维（其中“2”表示两个横向的空间维度，“1”表示一个传播方向的空间维度）光孤子分子，他们可由基孤子或涡旋孤子的无接触相互作用而形成。这些光孤子分子具有比单个光孤子大得多的几何尺寸（约80微米），极低的产生功率（微瓦量级），以及很好的可操控性。同时，课题组还发现，基于非局域非线性与色散和衍射效应的平衡，在该系统中也可产生稳定的（3+1）维（其中“3”表示两个横向的空间维度和一个时间维度，“1”表示一个传播方向的空间维度）高维光孤子分子。这些光孤子分子不仅具有很低的产生功率，还能以远低于真空光速的速度（约为真空光速的10的负5次方量级）传播。此外，通过主动操控（关闭和打启）系统中的控制激光场，可实现这些光孤子分子的存储和读取（图2），并具有较高的存储效率和保真度。
这项工作展示了如何利用里德堡-EIT系统产生和操控高维弱光孤子分子，不仅揭示了光孤子分子的新奇物理特性，为进一步发展非局域非线性光学提供了新思路，还拓展了里德堡-EIT研究的应用范围，为开展相关的实验实现打下了的理论基础，并有望在光信息处理与传输问题中获得应用。
课题组相关工作以“Stable High-Dimensional Weak-Light Soliton Molecules and Their Active Control”为题，8月7日发表于 Laser and Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202100297) 。论文第一作者为华东师大博士研究生秦璐（现就职于河南师范大学物理系），通讯作者为黄国翔教授。
Laser & Photonics Reviews 是一份双月刊同行评审科学期刊，由Wiley-VCH出版，2021年SCI影响因子13.138。