近日，Materials view China 網站報道了華東師大精密光譜科學與技術國家重點實驗室黃國翔教授課題組發表于國際著名學術期刊 Laser and Photonics Reviews 的研究成果“穩定的高維弱光孤子分子及其主動操控”（Stable High-Dimensional Weak-Light Soliton Molecules and Their Active Control）。

孤子（soliton）是一種由介質的色散和非線性效應相互平衡導致的、在傳輸過程中波形和傳播速度均保持不變的特殊波包。在自然界中，孤子的出現是十分普遍的非線性現象。例如，在海洋、河流中出現的穩定傳播的大振幅波包，就是水波中的孤子，其研究已有很長的歷史。近幾十年來，科學家們對光學介質、聲學系統、等離子體、玻色-愛因斯坦凝聚體、蛋白質和核酸分子結構等體系中的孤子開展了大量的研究。在這些研究中，光孤子的研究尤其引人注目，原因之一是它們在超連續光譜和光頻梳的產生、光信息處理、光通訊等中具有重要的應用。

由于存在非線性效應，孤子之間可以產生吸引、排斥等豐富的相互作用現象。特別是，兩個或多個孤子可以束縛在一起可形成孤子束縛態或孤子分子（soliton molecule），類似于由兩個或多個原子形成的化學分子。由于孤子分子不僅可以像單個孤子一樣穩定地傳播，還可極大的拓展單個孤子的自由度，因此有望成為新型的信息載體。

近年來，盡管光孤子分子（optical soliton molecule）已為人們所廣泛關注并有不少研究，然而在普通光學介質（如光纖等）中產生和操控光孤子分子并非易事，其主要原因有：（1）普通光學介質的非線性效應弱，產生光孤子或孤子分子需要較大的輸入功率或較長的傳播距離；（2）一般來說，普通光學介質只具有空間局域的光學非線性效應（即介質在某一位置處的非線性光響應只和該位置的光強有關，而與其它位置處的光強無關）。因此，只有當兩個光孤子的強度分布有較大的相互重疊時，它們才有可能鎖定在一起形成孤子分子。因為受限于單個孤子的幾何尺寸，基于這樣的產生機制無法形成大尺寸（遠大于單個孤子尺寸）的孤子分子；（3）在體系只具有局域非線性的情況下，高維孤子一般是不穩定的，不能實現高維孤子分子；（４）普通光學介質一般缺少可調的系統參數，因此難以實現對光孤子或光孤子分子主動操控。

精密光譜科學與技術國家重點實驗室的黃國翔課題組提出了利用超冷里德堡原子（Rydberg atom）氣體作為非局域非線性光學介質產生高維弱光孤子分子并實現其主動操控的理論方案。里德堡原子是指主量子數非常大的高激發態原子，具有半徑與電偶極矩大、壽命長、相互作用強等優點。利用激光冷卻技術，可以將里德堡原子氣體冷卻至極低溫（微開爾文量級），從而可實現很長的相干時間和很大的原子-原子相互作用。特別是，利用電磁感應透明 （EIT）（圖1），不僅可有效抑制原子對光場的共振吸收，還能充分利用EIT帶來的慢光效應和調控手段。此外，里德堡原子之間的強偶極-偶極相互作用可使體系的非局域光克爾效應大大增強，從而可實現高維光孤子間的無接觸相互作用（contactless interaction）。

通過對里德堡-EIT系統建立數學模型并進行超出平均場近似的理論分析和計算，課題組發現體系具有很強的非局域克爾非線性效應。利用非局域非線性與衍射效應的平衡，在該系統中可產生穩定的（2+1）維（其中“2”表示兩個橫向的空間維度，“1”表示一個傳播方向的空間維度）光孤子分子，他們可由基孤子或渦旋孤子的無接觸相互作用而形成。這些光孤子分子具有比單個光孤子大得多的幾何尺寸（約80微米），極低的產生功率（微瓦量級），以及很好的可操控性。同時，課題組還發現，基于非局域非線性與色散和衍射效應的平衡，在該系統中也可產生穩定的（3+1）維（其中“3”表示兩個橫向的空間維度和一個時間維度，“1”表示一個傳播方向的空間維度）高維光孤子分子。這些光孤子分子不僅具有很低的產生功率，還能以遠低于真空光速的速度（約為真空光速的10的負5次方量級）傳播。此外，通過主動操控（關閉和打啟）系統中的控制激光場，可實現這些光孤子分子的存儲和讀?。▓D2），并具有較高的存儲效率和保真度。

這項工作展示了如何利用里德堡-EIT系統產生和操控高維弱光孤子分子，不僅揭示了光孤子分子的新奇物理特性，為進一步發展非局域非線性光學提供了新思路，還拓展了里德堡-EIT研究的應用范圍，為開展相關的實驗實現打下了的理論基礎，并有望在光信息處理與傳輸問題中獲得應用。

課題組相關工作以“Stable High-Dimensional Weak-Light Soliton Molecules and Their Active Control”為題，8月7日發表于 Laser and Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202100297) 。論文第一作者為華東師大博士研究生秦璐（現就職于河南師范大學物理系），通訊作者為黃國翔教授。

Laser & Photonics Reviews 是一份雙月刊同行評審科學期刊，由Wiley-VCH出版，2021年SCI影響因子13.138。