研究人员发现光子蛇态--揭示光秘密的新工具
发布时间：2023-07-11 08:00:00 阅读数： 112
光子蛇生成系统中的光子微缸。资料来源：UPV
拥有无数色彩的光是大自然的奇迹之一。要真正理解我们所看到的一切，就必须知道我们感知世界的光的精确颜色。我们通过称为频率梳的光学规则来实现这一目标，其首次实现获得了2005年诺贝尔物理学奖。
光学尺不仅可用于测量颜色，还可用于测量时间、距离和其他基本量级，因此在科学和技术应用中具有重要意义。它们是让我们进入光的领域并揭示其最深层秘密的工具。
这正是瓦伦西亚理工大学（UPV）领导、加泰罗尼亚理工大学-巴塞罗那科技大学（UPC）和光子科学研究所（ICFO）的研究人员参与的最新研究成果。他们在科研期刊《自然-光子学》（Nature Photonics）上发表的研究成果发现了 "光子蛇态"，这是一种揭开光的秘密的新工具。
这项研究引起了国际科学界的关注，并为频率梳的形成开辟了前所未有的前景：它预测了二维光学规则的存在，比迄今为止使用的一维规则更加复杂，并在广泛的应用领域提供了前所未有的多功能性。
在通信、光谱学或计算领域的应用
频率梳应用广泛，尤其是在通信领域。据该研究报告的作者称，这些频梳可以通过光纤高效地传输大量信息，因为通过定义明确的频率，可以同时发送多个光信号，并在接收到这些信号时轻松地将它们分离开来。
频率梳的另一个用途是光谱学。由于能够以前所未有的精度和分辨率获得光学光谱，因此更容易识别不同的物质。这在化学、生物和医学等领域有着直接的应用，在这些领域，精确的分子检测和材料表征至关重要。
在计量学（测量科学）领域，由于这些结构能够产生稳定的已知频率，因此可用作确定标准的参考。这样就可以精确测量与大多数科学领域相关的基本量，如时间或长度。
最后，频率梳还在光粒子（或光子）起关键作用的量子计算领域找到了前景广阔的应用。特别是，频率梳可用来产生具有特定性质的单光子，这对这些技术的发展至关重要。
光学规则的未来
要成功实现这些建议，必须分析的一个基本问题是在试图构建这些光学规则时出现的不稳定性，这阻碍了多功能光形式的产生。UPV的IUMPA研究员、这项工作的共同作者Pedro Fernández de Córdoba教授指出："应该指出的是，我们的团队已经从理论角度获得了光结构稳定的条件，找到了我们称之为光子蛇的之字形结构。这些光状态的稳定性是未来应用的一个重要方面。
这篇论文还表明，有可能创造出一种由可单独访问的同步光学规则组成的二维排列。这一发现提供了在单个设备中生成并由单个激光光源控制的大量规则集合。事实上，正如领导这项研究的Carles Milián教授所说："这一突破的潜在影响非同一般，因为它可以实现宽带、可重构、单片多梳器件的开发。这些设备将按需实时提供不同的频率梳，极大地扩展现有应用。
最后，这项研究基于严谨而完整的理论模型，考虑了未来实验中可能出现的关于二维频率梳形成的所有已知效应，并使用强大的理论和数值工具进行了模拟。事实上，正如UPV应用数学系主任兼本研究的共同作者J. Alberto Conejero教授所指出的，"这项研究建立了一个非常精确的模型，其中包括所有可能影响这些结构形成的现象。它将为未来的实验提供指导，提前知道可以生成稳定光蛇的实验参数，从而产生经济效益"。
Salim B. Ivars（加泰罗尼亚理工大学）、Yaroslav V. Kartashov和Lluís Torner（ICFO）也参与了这项工作。据后者称，"这一重要发现出乎意料，令人惊喜，它的实现要归功于Milián教授的直觉和领导才能"。
UPV、UPC和ICFO团队表示，这一发现将进一步推动该领域的研究，并带来革命性的新应用和新技术。"他们总结说："得益于这些进展，我们距离揭开光的奥秘和利用光的全部潜力造福社会又近了一步。
参考资料
Salim B. Ivars et al, Photonic snake states in two-dimensional frequency combs, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01220-1
