基于新型激光場(chǎng)結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)調(diào)控是當(dāng)前光學(xué)與光子學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。光場(chǎng)調(diào)控主要分為線性調(diào)控（如調(diào)控色散和衍射、角動(dòng)量、自旋軌道耦合）和非線性調(diào)控（調(diào)控介質(zhì)的非線性特性，如非線性光子晶體）兩種手段。在量子多體物理和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，如物質(zhì)的第五態(tài)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（前四種物質(zhì)為固體、液體、氣體和等離子體）也存在類似的調(diào)控方法，謂之量子調(diào)控——其中實(shí)驗(yàn)科學(xué)家最廣為采用的兩種方法是光晶格（線性調(diào)控）和費(fèi)希巴赫共振（非線性調(diào)控）。
玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（更廣泛地說(shuō)，冷原子）是一種天然的非線性物質(zhì)，因?yàn)槠鋬?nèi)部原子-原子之間的相互碰撞會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)；為此，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚中涌現(xiàn)出諸多非線性現(xiàn)象，比如物質(zhì)波的四波混頻、亮孤子和暗孤子、渦旋與渦旋晶格、動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性等等。除了在基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要作用，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚在實(shí)際應(yīng)用中還具有廣闊的前景，比如用作冷原子干涉儀、原子激光器、具有前所未有精度的冷原子鐘和精密測(cè)量技術(shù)，以及更令人興奮的量子信息處理領(lǐng)域。
近期，中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾健華副研究員阿秒科學(xué)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在前沿光子學(xué)的線性和非線性調(diào)控理論研究方面取得系列重要進(jìn)展，研究成果發(fā)表在《Advanced Photonics》、《Optics Letters》、《Journal of the Optical Society of America B》等光學(xué)期刊上。
2019年8月27日，題目為《囚禁于光晶格帯隙中的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚暗局域模》（Gap-type dark localized modes in a Bose–Einstein condensate with optical lattices）的理論研究工作發(fā)表在光學(xué)期刊《Advanced Photonics》（https://doi.org/10.1117/1.AP.1.4.046004）。將冷原子束縛于光晶格中為研究各種有趣的物理特性和豐富的非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象提供了一個(gè)干凈的、易于實(shí)現(xiàn)和精確控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這與固體物理中的晶體相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。光晶格作為易實(shí)現(xiàn)和易操作的多功能手段，存在類似于半導(dǎo)體材料中的能帶結(jié)構(gòu)，在探索玻色-愛(ài)因斯坦凝聚特性和操控其動(dòng)力學(xué)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，一個(gè)標(biāo)志性成果就是在實(shí)驗(yàn)中用光晶格實(shí)現(xiàn)亮的物質(zhì)波帶隙孤子。然而，暗的帶隙孤子仍未在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到，其在高維度的物理特性仍然懸而未決。發(fā)表在《Advanced Photonics》的工作通過(guò)嚴(yán)格的理論和數(shù)值模擬方法，研究了囚禁于一維和二維光晶格帶隙中的冷原子暗局域模的產(chǎn)生和穩(wěn)定特性，發(fā)現(xiàn)了兩類穩(wěn)定的暗局域模，即暗的帶隙孤子和帶隙孤子簇；同時(shí)，研究了在二維結(jié)構(gòu)中這兩類暗局域模所對(duì)應(yīng)的渦旋態(tài)。研究工作為在冷原子和光學(xué)（使用光子晶體和光學(xué)晶格）前沿實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)暗的局域帶隙波結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了新的途徑。鑒于該工作的創(chuàng)新性和重要性，論文發(fā)表當(dāng)天就被SPIE（國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)）主頁(yè)選為“Highlighted stories”（亮點(diǎn)故事，網(wǎng)址： https://spie.org/news?SSO=1）并加以宣傳介紹（網(wǎng)址：https://spie.org/news/stabilizing-2-d-dark-gap-solitons-and-vortices-using-bright-defects-in-optical-lattices）。
圖1. 二維空間中的帯隙型暗孤子與暗孤子簇的三維結(jié)構(gòu)圖（上行）、俯視圖（中行）及其波形（下行）：位于第一（a）和第二（b）帶隙中的暗孤子；（c）暗孤子簇。[ Advanced Photonics 1, 046004 (2019)]
該團(tuán)隊(duì)在非線性孤子理論方面也取得系列重要結(jié)果，如題目為《純克爾非線性模型/介質(zhì)中的平頂孤子》（Purely Kerr nonlinear model admitting flat-top solitons）的理論研究工作發(fā)表在《Optics Letters》（https://doi.org/10.1364/OL.44.001206）。文章首次借助純非線性調(diào)控方法預(yù)測(cè)了一類新型的孤子結(jié)構(gòu)，并通過(guò)解析和數(shù)值計(jì)算兩種方法研究了平頂孤子和非線性激發(fā)模(多級(jí)偶極子和渦旋)結(jié)構(gòu)的存在條件和穩(wěn)定性情況。
圖2. 純非線性調(diào)控下的一維平頂孤子?；＃?/span>a）；偶極（b）和三極（c）激發(fā)模。紅線為非線性勢(shì)阱形狀。[ Optics Letters 44, 001206(2019)]
圖3. 分?jǐn)?shù)衍射調(diào)控和非線性晶格調(diào)控下的一維孤子結(jié)構(gòu)。（a）基模與高斯光（虛線）的波形對(duì)比；在不同非線性強(qiáng)度（b）、傳播常數(shù)（c）和衍射階數(shù)（d）下的激光波形變化情況。[ Optics Letters 44, 002661 (2019)]
2019年5月17日，題目為《具有空間周期性調(diào)制非線性（非線性晶格）的分?jǐn)?shù)薛定諤方程中的一維孤子》（One-dimensional solitons in fractional Schr？dinger equation with a spatially periodical modulated nonlinearity: nonlinear lattice）的理論研究工作再度發(fā)表在《Optics Letters》（https://doi.org/10.1364/OL.44.002661）。文章首次結(jié)合非線性調(diào)控方法和線性衍射調(diào)控方法，通過(guò)嚴(yán)格的理論分析和數(shù)值實(shí)驗(yàn)，研究了多種一維孤子結(jié)構(gòu)（基態(tài)模和激發(fā)模）的產(chǎn)生條件和在各種調(diào)制物理參數(shù)情況下的穩(wěn)定特性。此外，題目為“具有空間調(diào)制排斥非線性作用的超冷原子中的類高斯和平頂孤子”（Gaussian-like and flat-top solitons of atoms with spatially modulated repulsive interactions）的理論研究工作于2019年7月29日發(fā)表在《Journal of the Optical Society of America B》（https://doi.org/10.1364/JOSAB.36.002278）。
圖4. 在空間調(diào)制排斥非線性超冷原子中的平頂渦旋波結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)演化。在角動(dòng)量守恒條件下，渦度為2（第一行）和3（第二行）的渦旋波結(jié)構(gòu)分別演化成2個(gè)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)的單渦旋。[ J. Opt. Soc. Am. B 36, 002278 (2019)]
以上工作是西安光機(jī)所曾健華副研究員（中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)會(huì)員）及其研究生團(tuán)隊(duì)完成。曾健華老師系中山大學(xué)和以色列魏茨曼科學(xué)研究所聯(lián)合培養(yǎng)光學(xué)博士，曾在以色列特拉維夫大學(xué)和清華大學(xué)物理系從事博士后研究工作；2013年8月起加入西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任副研究員，2015年被評(píng)為博士生導(dǎo)師。
以上研究工作也得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。
