【儀表網 儀表研發】近日，中國科學院上海光學精密機械研究所信息光學與光電技術實驗室與美國普林斯頓大學電子工程系合作，對具有不同相干長度隨機相位光束經非線性傳播后所形成的散斑場的統計性進行實驗測量，觀察到隨著自由光渦旋的產生，散斑場的自關聯函數從冪律衰減退化為指數衰減。該研究以光子學系統對凝聚態物理中的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)相變理論進行量化實驗驗證，印證非線性光學與凝聚態物理、冷原子物理等多個學科之間有著某些共同的理論基礎，揭示隨機光場的相關性與渦旋動力學之間深刻而復雜的聯系，為進一步探索非平衡態下的相干-渦旋動力學提供了新的基點。相關研究成果以Dynamics of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in a photon fluid為題，發表在《自然 光子學》(Nature Photonics)。
在該光子BKT實驗中，研究人員以輸入光波的隨機性來模擬一個二維系統的“溫度”。這可以通過對入射光波進行隨機相位編碼來實現：“溫度”越高意味著隨機相位的相干長度越短。把經過隨機相位編碼的光束輸入到一個施加電場的光折變晶體SBN中，并把其偏振態調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生自散焦或自聚焦效應，這個過程與二維系統波函數隨時間的演化一樣，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行數字全息成像，可以重構出其相位分布，進而確定所有渦旋的位置和數量。
在不同外加負電壓情況下，輸出散斑場中新生自由渦旋的數量與輸入場的“溫度”之間的函數關系，實驗數據與BKT理論預測完全一致：當系統的“溫度”低于某個臨界溫度時，沒有自由渦旋的產生，此時輸出的散斑場保持準長程有序，其關聯函數滿足冪律衰減。當“溫度”高于臨界值后，系統的熵增加，則傾向于產生了新的自由渦旋(因為渦旋的能量與熵一樣，都是自然對數函數)。隨著“溫度”的升高，渦旋數量增加，渦旋導致場的扭曲，系統的相干性遭到破壞，其關聯函數退化為指數衰減。通過計算散斑場的關聯指數清楚地看到系統在這兩個“態”之間的轉化。
研究工作得到中科院前沿科學重點研究計劃項目和國家自然科學基金委中德合作小組項目的支持。
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