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科学家发现一种新的光孤子波

2016-09-18 09:39
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  以加州理工学院的Kerry Vahala为首的应用科学家发现了一种新的光孤子波,这种波会紧随在其它传播的孤子波后面,就像是搭着其它波的顺风车并从其它波中汲取能量。

  孤子是像一个像粒子一样的局域波:当它们穿过空间时,它们保持它们的形状和形态,而不是像其他波一样扩散。它们是在1834年首次提出,由苏格兰工程师John Scott Russel发现,在福尔柯克和爱丁堡之间联合运河中的驳船突然停止后,形成了一个不寻常的波。罗素跟踪了这一波形一到两英里,并指出,它在行进过程中保留了它的形状,直到最终失去了它的踪影。

  他把他的发现称为“移动波”,到本世纪末,这一现象在数学上被描述,最终产生了孤子波的概念。在正常情况下,波在通过空间传输时,波往往会消散。把一块石头扔进一个池塘,当它们从撞击点散开时,波纹会慢慢地消失。而孤子波不会。

  除了水波,孤子可以以光波的形式发生。Vahala的团队研究光孤子通过在微米尺度的循环电路称为光学微腔中让光孤子无限再循环下去。孤子在应用方面可用于创建高精度的光学时钟,并可以用于微波振荡器,用于导航和雷达系统等其他许多应用场景中。

  但尽管经过几十年的研究,一个孤子从来没有被观察到的这样一种依赖形式的几乎是寄生的行为方式。

  “本质上,这个新的孤子是乘在另一个孤子上的,在另一个孤子的唤醒。它也能从其他孤子中虹吸能量,因此它是自给自足的。它最终会增长大于它所寄生的主人,”Vahala说,他是信息科学与技术和应用物理学的特德和姜詹金斯教授和工程和应用物理科学的材料科学和应用科学的行政人员。

  Vahala将这些新发现的孤子比拟作领航鱼,即是一种肉食性的会在鲨鱼一旁游动的热带鱼,它们可以从鲨鱼的食物中捡起碎片。并在鲨鱼的尾后游行,领航鱼减少了他们自己的身体上的水的阻力,所以他们可以用更少的力气游动。

  Vahala是发表在《自然物理》杂志上的这篇宣布和描述孤子的新类型的论文的共同作者,被称为“斯托克斯孤子”(“斯托克斯”的选择,因为技术上的原因,即这种孤子虹吸能量的机制)并且是由加州理工学院的研究生杨启凡和易许首次观察到新的孤子。由于孤子能够接近原来的孤子的形状和位置,杨和易的最初的反应是怀疑实验室仪器失灵。

  “通过观察两个光谱仪上的信号,我们证实,该信号不是仪器仪表的误差。然后,我们知道这是真实的,并必须弄清楚为什么一个新的孤子会自发地出现这样的情况,”杨说。

  Vahala和他的团队使用包括激光输入提供孤子能量微腔。这种能量是不能直接被斯托克斯孤子所“领航鱼”吸收,相反,能量被“鲨鱼”孤子所消耗。但是,Vahala和他的团队发现,能量是由领航鱼孤子拉走,其规模增长而其他孤子收缩。

  “一旦我们了解产生新的孤子的所需环境,它实际上就可能为我们设计微腔保证孤子的形成,甚至其性质如有效的波长、颜色等,”易说。

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