近期，德國馬普光科學研究所的研究團隊在鎖模光纖激光與(yu) 光孤子物理領域取得新進展，在高頻脈衝(chong) 光纖激光器內(nei) 首次觀測到複雜且穩定可控的光學“孤子超分子”結構。相關(guan) 成果發表於(yu) 《自然-通訊》，並榮獲“2019年物理類Top 50最受關(guan) 注論文”，是該團隊在利用光子晶體(ti) 光纖實現高頻聲光鎖模超快激光器和全光比特信息存儲(chu) 之後的又一突破性成果。論文的通訊作者龐盟現工作單位為(wei) 中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室。

光孤子在傳(chuan) 播過程中可以維持形狀，即使受到少量幹擾也能保持穩定，因此一直被認為(wei) 是一種理想的光信息載體(ti) 。光孤子的自穩特性源於(yu) 光的色散效應和非線性效應之間的平衡，是非線性科學裏“吸引子”概念在光學係統裏的一個(ge) 具體(ti) 實現。

很早以前人們(men) 就知道，若幹個(ge) 光孤子在特定的條件下可以形成穩定的束縛態，猶如一個(ge) 整體(ti) 一樣，在傳(chuan) 播過程保持固定的距離和相位關(guan) 係。正如束縛在一起的原子可以構成分子一樣，這樣的光孤子束縛態被稱為(wei) “孤子分子”。然而，傳(chuan) 統觀點認為(wei) 產(chan) 生“孤子分子”的前提是孤子之間的距離足夠小，孤子在空間上必須部分重疊才能產(chan) 生足夠強的相互作用，從(cong) 而產(chan) 生穩定的束縛態。孤子間的遠距離相互作用往往被認為(wei) 非常微弱而且難以控製，因此通常被認為(wei) 是一種微擾，必須加以抑製。

該項研究中，研究人員反其道而行之，巧妙地增強並控製了光孤子間的遠距離相互作用，讓成百上千個(ge) 光孤子以一種穩定、有序、可控的方式形成了一種前所未有的“超分子”結構。

產(chan) 生這種“孤子超分子”的關(guan) 鍵在於(yu) 一種可以增強光學非線性效應的特種光纖：光子晶體(ti) 光纖。研究人員在一個(ge) 鎖模光纖激光器中引入一小段纖芯直徑僅(jin) 2微米的光子晶體(ti) 光纖。光在這種特種光纖中傳(chuan) 播時可以有效的激發纖芯內(nei) 的高頻聲波諧振。此聲波諧振頻率遠高於(yu) 激光腔的基礎重複頻率，產(chan) 生的高頻聲光調製可以把存在於(yu) 激光器裏的大量光孤子分組並等間接的隔開，產(chan) 生穩定的“光機晶格”。在此“光機晶格”的每個(ge) 時間單元內(nei) 部，基於(yu) 一種精心構造的力學平衡（圖1），多個(ge) 光孤子可以在遠間距上形成穩定的束縛態。

光學的“超分子”束縛態產(chan) 生機理

實驗結果表明：“光機晶格”內(nei) 的每個(ge) 時間單元可以包含不同數量的光孤子，而這種束縛態的最小單元既可以是單個(ge) 孤子，也可以是包含兩(liang) 三個(ge) 孤子的“孤子分子”。因此形成的結構比傳(chuan) 統的孤子分子要複雜的多，被命名為(wei) “孤子超分子”（圖2）。

一些包含孤子分子的“超分子”束縛態。

這種複雜的“孤子超分子”結構一旦產(chan) 生，可在激光器內(nei) 穩定存在數小時。同時，通過調節激光器參數，孤子間的遠距離束縛力可以被靈活調節。另外，“孤子超分子”中的基本單元也可以自由的增加或減少，且不影響整個(ge) 結構的穩定性（圖3）。這些特性很容易讓人聯想起生物化學領域的“超分子”（比如：DNA等），它們(men) 都同樣兼具複雜，穩定和靈活的特性。相較於(yu) 傳(chuan) 統“孤子分子”，新發現的“孤子超分子”結構更多樣，變化更靈活，同時擁有很強的自穩定特性。這項發現對於(yu) 光孤子在非線性科學中的理解和在光信息科學中的應用具有重要的啟發意義(yi) 。

在“超分子”束縛態內(nei) 自由的加入或去除光孤子。