在光学莫尔晶格中产生孤子

新的转折：根据激光功率和光学莫尔晶格的扭转角度，模糊的信号可以转换为孤子。Fangwei Ye 供图。

莫尔晶格 (无论它们在哪里形成) 都充满了惊喜。将两个或更多 2D 周期模式叠加在一起，只要稍有扭转，新奇的特性就会出现。单片石墨烯是一种很好的电导体，但当两层石墨烯堆叠成莫尔晶格时，双层石墨烯就会变成超导体，莫特绝缘体或者磁铁。这取决于扭转的角度。

类似地，当两个光束由掩模相互作用产生条纹时，生成的莫尔晶格可以将信号光束转换为分散的光点或单个局部点。最近，由中国上海交通大学Fangwei Ye领导的一组研究人员发现，光学莫尔晶格也可以在极低的功率水平上产生孤子，即自陷的孤立波。

聚光灯下的孤子

光在传播时往往会散开。例如，手电筒发出的一束光逐渐传播开来。今年早些时候，Ye的团队发现了一种方法，即利用莫尔晶格阻止激光扩散并将激光集中缩小到局部一个点。现在，同一组研究人员又进一步将莫尔晶格中的光激发成自我维持的脉冲，这被称为孤子。在长距离传播时孤子保持其形状，因此它们可以作为稳定的信息载体，这在电信中有非常重要的用途。

将光局域化的一个最重要的阻碍是衍射。Ye的光学孤子依靠非线性效应来避开衍射，这是一种自我强化的效应。通过这种效应，光束照射到介质媒介时会改变光的行为。Ye的介质是一种具有非线性全息特性的光致折变锶钡铌铁矿晶体。研究人将光束照射在两个扭转的格子掩模上，从而把一个莫尔条纹印在晶体上。然后研究人员照射第二束光，然后观察光束的轮廓是如何随着掩模的扭转角度和激光功率而演变。

研究人员发现根据在图形掩模中的扭转角度，他们的莫尔晶格可以产生超过一定激光功率阈值的孤子。光学非线性是一种弱现象，这种现象通常只在高激光功率下才能表现出来。但Ye和他的团队发现，他们的非线性晶体所需的功率阈值非常低，只需要纳微瓦级的功率就可以呈现非线性效应。这比激光笔的功率要小一百万倍。

第一个发现

“我们的工作是首次观察到莫尔晶格中的孤子，”Ye说。“事实证明,用这种方式创建孤子是很容易的。” 低功耗要求的关键是莫尔晶格中的平能级带。光学莫尔晶格中的光子在某些扭转角度下被挤压成一个狭窄的能量范围。这个能量范围仅支持某些自陷的光模式。光衍射本质上在这种平坦能级带中是非常弱的。因此只需要一个小的非线性效应就可以产生孤子。 “多亏了莫尔晶格中近乎平坦的能带,” Ye说，“这个实验将功率阈值降低到一个极低的水平, 这代表了孤子研究前进了一大步。”

莫尔惊喜？

光学莫尔晶格为探索其它难以捉摸的非线性现象(如四光波混合和二次谐波生成)提供了很多有趣的研究领域。根据Ye所说，孤子的研究可能只是一个开始。