近日，我校董亮偉老師在非線性光學領域取得重要理論研究進展，首次發現扭曲環形波導陣列中攜帶相反拓撲荷的渦旋孤子具有不同的存在區間和穩定性。基于嚴格離散對稱理論分析，揭示了扭曲波導陣列可以穩定在非扭曲系統結構中總是不穩定的渦旋態。題為《扭曲環形波導陣列中的渦旋孤子》的論文發表在物理學頂級期刊《Physical Review Letters》（物理評論快報）上。這是董亮偉教授繼2021年以來在該期刊上發表的第二篇工作。該項工作由我校物理系董亮偉教授、俄羅斯科學院光譜研究所首席科學家Y. V. Kartashov教授、西班牙光子科學研究所所長L. Torner教授和瓦倫西亞大學A.Ferrando教授合作完成，董亮偉為第一且唯一通訊作者，陜西科技大學為第一和唯一通訊單位。
本工作的研究背景為，光場傳播會受到橫向折射率調制的強烈影響，這種現象為控制光場衍射、內部結構的多樣性以及人造材料中光束的傳播路徑開辟了重要途徑。在非線性情況下，這種折射率調制支持豐富的離散或晶格孤子。光渦旋是一種具有螺旋相位波前、帶有軌道角動量、能夠攜帶不同拓撲荷數的光束。攜帶不同拓撲荷數光渦旋的相互正交性可用于模分復用，極大地提高光纖通信系統的容量，還可用于光計算、光捕獲等。光渦旋也可以存在于以離散角旋轉對稱而非橫向周期性為特征的結構中。對這些結構的分析揭示了一個令人驚訝的事實，即晶格對稱性嚴格限制對稱渦旋孤子的拓撲荷，并決定它們的穩定性。人們已經發展了一種角度偽動量理論來解釋基于這種結構的渦旋模特性。
當具有離散旋轉對稱的結構在傳播方向上扭曲時，將出現與上述情況完全不同的新現象。在扭曲系統中，結構的螺旋度顯著影響波導之間的光傳輸，可能實現不尋常的衍射管理和核心之間隧穿的拓撲抑制。此外，在Parity-time對稱環形陣列中，扭轉允許控制系統的對稱破缺閾值。然而無論是在環形陣列中還是在旋轉晶格中，扭曲對非線性狀態下自捕獲渦旋態的存在性、穩定性及傳播行為的影響尚未被探索。這種旋轉結構可以在拉制光子晶體光纖過程中通過扭曲來實現。
本項工作的創新點為，基于旋轉體系中的非線性薛定諤方程，研究了扭曲環形波導陣列中拓撲態的形成。發現非線性介質中波導陣列的扭曲導致具有相反拓撲荷的渦旋孤子表現出完全不同的基本性質。該系統中順時針和逆時針渦旋流的不等價性非常罕見。通過對具有C6v離散旋轉對稱性波導陣列的分析，我們發現縱向扭曲能夠穩定拓撲荷最低為的渦旋孤子，這類渦旋在具有相同對稱性但未扭曲的陣列中總是不穩定的。扭曲還會導致原本穩定的孤子出現不穩定區域，并產生在非扭曲陣列中被禁止的拓撲荷為m=3的渦旋模。我們建立了陣列的離散旋轉對稱性、扭轉方向和可能的孤子拓撲荷之間的嚴格關系。
部分結果圖示：
圖1 C6點群對稱旋轉環形波導陣列中角布洛赫模式示意
圖2 渦旋孤子功率(a,c)功率和不穩定增長率(b,d)隨旋轉頻率的變化
圖3 不穩定(b)和穩定(c)渦旋孤子傳播模擬
據悉，《Physical Review Letters》是美國物理學會主辦的、世界著名的物理學頂級學術期刊，主要發表重要的、原創性強、有廣泛物理興趣的研究成果。本工作受到陜西科技大學科研啟動項目、陜西省高層次人才項目、陜西省自然科學基金重點項目的支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.123903
（核稿：劉建科 編輯：劉倩）
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