近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與美國普林斯頓大學(xué)電子工程系合作，對具有不同相干長度隨機(jī)相位光束經(jīng)非線性傳播后所形成的散斑場的統(tǒng)計(jì)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，觀察到隨著自由光渦旋的產(chǎn)生，散斑場的自關(guān)聯(lián)函數(shù)從冪律衰減退化為指數(shù)衰減。該研究以光子學(xué)系統(tǒng)對凝聚態(tài)物理中的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)相變理論進(jìn)行量化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，印證非線性光學(xué)與凝聚態(tài)物理、冷原子物理等多個(gè)學(xué)科之間有著某些共同的理論基礎(chǔ)，揭示隨機(jī)光場的相關(guān)性與渦旋動力學(xué)之間深刻而復(fù)雜的聯(lián)系，為進(jìn)一步探索非平衡態(tài)下的相干-渦旋動力學(xué)提供了新的基點(diǎn)。相關(guān)研究成果以Dynamics of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in a photon fluid為題，發(fā)表在《自然 光子學(xué)》（Nature Photonics）。

　　在該光子BKT實(shí)驗(yàn)中，研究人員以輸入光波的隨機(jī)性來模擬一個(gè)二維系統(tǒng)的“溫度”。這可以通過對入射光波進(jìn)行隨機(jī)相位編碼來實(shí)現(xiàn)：“溫度”越高意味著隨機(jī)相位的相干長度越短。如圖1a所示，把經(jīng)過隨機(jī)相位編碼的光束輸入到一個(gè)施加電場的光折變晶體SBN中，并把其偏振態(tài)調(diào)整至與晶體光軸一致，在外加電場的作用下，光在晶體中傳播會發(fā)生自散焦或自聚焦效應(yīng)，這個(gè)過程與二維系統(tǒng)波函數(shù)隨時(shí)間的演化一樣，可以非線性薛定諤方程來描述。通過對晶體輸出面的光場進(jìn)行數(shù)字全息成像，可以重構(gòu)出其相位分布，進(jìn)而確定所有渦旋的位置和數(shù)量（圖1b）。

　　主要實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如圖2所示。圖2a顯示的是在不同外加負(fù)電壓情況下，輸出散斑場中新生自由渦旋的數(shù)量與輸入場的“溫度”之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與BKT理論預(yù)測完全一致：當(dāng)系統(tǒng)的“溫度”低于某個(gè)臨界溫度時(shí)，沒有自由渦旋的產(chǎn)生，此時(shí)輸出的散斑場保持準(zhǔn)長程有序，其關(guān)聯(lián)函數(shù)滿足冪律衰減（圖2b）。當(dāng)“溫度”高于臨界值后，系統(tǒng)的熵增加，則傾向于產(chǎn)生了新的自由渦旋（因?yàn)闇u旋的能量與熵一樣，都是自然對數(shù)函數(shù)）。隨著“溫度”的升高，渦旋數(shù)量增加，渦旋導(dǎo)致場的扭曲，系統(tǒng)的相干性遭到破壞，其關(guān)聯(lián)函數(shù)退化為指數(shù)衰減（圖2c）。通過計(jì)算散斑場的關(guān)聯(lián)指數(shù)清楚地看到系統(tǒng)在這兩個(gè)“態(tài)”之間的轉(zhuǎn)化（圖2d）。

　　研究工作得到中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金委中德合作小組項(xiàng)目的支持。

　　論文鏈接 

　　圖1.(a)光子BKT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。(b)對照輸入輸出面的相位，可發(fā)現(xiàn)自由渦旋的產(chǎn)生。

　　圖2.光子BKT實(shí)驗(yàn)主要結(jié)果。(a)新產(chǎn)生渦旋與系統(tǒng)“溫度”的關(guān)系；(b)在低于臨界溫度時(shí)，系統(tǒng)的相干性呈冪律衰減；(c)而在高于臨界溫度時(shí)，則呈指數(shù)衰減；(d)關(guān)聯(lián)指數(shù)_k清楚顯示出隨著溫度的變化，系統(tǒng)在兩個(gè)“態(tài)”之間轉(zhuǎn)化。